Einfluss von Bacteriocinen auf das Darmmikrobiom
Das menschliche Darmmikrobiom ist ein komplexes Ökosystem, das von einer Vielzahl von Mikroorganismen bevölkert wird, von denen viele einen direkten Einfluss auf unsere Gesundheit und unser allgemeines Wohlbefinden haben. „Dieser eindeutige Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom und der Gesundheit hat dazu geführt, dass dringend Instrumente entwickelt werden müssen, mit denen die Darmmikroflora vorhersehbar gestaltet werden kann“, sagt Natalia Ríos Colombo, Forscherin am University College Cork und Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiatin. Ein solches Instrument ist das Einbringen von Bacteriocinen, antimikrobiellen Peptiden, die von vielen Bakterien produziert werden und andere Bakterienarten abtöten. „Bacteriocine sind natürliche Modulatoren des menschlichen Mikrobioms, was ein Grund dafür ist, dass sie als potenzielle Mikrobiom-Editierungswerkzeuge an Interesse gewinnen“, erklärt Colin Hill, Professor für mikrobielle Lebensmittelsicherheit an der School of Microbiology des University College Cork. Colombo wollte – unterstützt durch das EU-finanzierte Projekt BIOMA und betreut von Hill – besser verstehen, welche Rolle Bacteriocine bei der Entscheidung über die Gesamtzusammensetzung und Funktionalität des Darmmikrobioms spielen.
Die Auswirkungen von Bacteriocinen
Zunächst schuf Colombo ansonsten identische Bakterienstämme, die entweder Bacteriocine produzieren oder nicht, und fügte sie dann zu synthetischen stabilen Gemeinschaften hinzu. „Von da an lehnten wir uns zurück und warteten, um herauszufinden, ob es Auswirkungen gibt und ob wir vorhersagen können, wie diese aussehen könnten“, so Hill. Die Forschenden fanden heraus, dass das Einbringen von Bacteriocin-produzierenden Stämmen tatsächlich einen Einfluss auf die Zusammensetzung des gesamten Mikrobioms hatte. Laut Colombo waren die Auswirkungen auf die Mikroorganismen, die empfindlich auf das Bacteriocin reagieren, am deutlichsten. Sie stellte jedoch auch einige Off-Target-Effekte fest, z. B. wenn ein neu eingebrachtes Bacteriocin den Bakterienstamm A tötet, der bereits ein anderes Bacteriocin produziert, das auf den Bakterienstamm B abzielt. „In diesem Fall führte das eingebrachte Bacteriocin zu einem erwarteten Rückgang von Stamm A, aber auch zu einem Anstieg von Stamm B, der unerwartet wäre, wenn man das zweite Bacteriocin nicht kennen würde“, sagt Colombo.
Mathematische Modelle zur Vorhersage der Auswirkungen von Bacteriocinen auf die Zusammensetzung des Mikrobioms
Das Projekt bestätigte nicht nur die Auswirkung des Bacteriocins auf die Zusammensetzung des Mikrobioms, sondern die Forschenden entdeckten auch, dass es möglich ist, diese Auswirkung mithilfe einfacher mathematischer Modelle vorherzusagen. Obwohl eine solche mathematische Modellierung ursprünglich nicht Teil des Projektplans von BIOMA war, erwies sie sich als eines der wichtigsten Ergebnisse des Projekts. „Natalia holte den Rat von Fachleuten aus der Mathematik ein und führte das Modell selbst ein, was uns die Möglichkeit gab, das Ergebnis eines komplexen Experiments vorherzusagen und dann zu sehen, wie es sich in der Realität abspielt“, erklärt Hill. Diese Fähigkeit zur Vorhersage der Ergebnisse ist wichtig, denn wenn etwas eingebracht wird, um einen Zielstamm abzutöten, hat das immer Folgen. „Mit genügend grundlegenden Informationen sollten wir in der Lage sein, sekundäre, unerwartete Auswirkungen vorherzusagen und Maßnahmen zu ergreifen, die sicherstellen, dass wir nicht mehr Schaden als Nutzen anrichten“, sagt Colombo.
Abstimmung der Zusammensetzung des Mikrobioms
Das Projekt BIOMA ist zwar abgeschlossen, aber die Notwendigkeit, die Kräfte, die das Mikrobiom und seine Funktionsweise formen, besser zu verstehen, bleibt bestehen. Deshalb erforscht das Forschungsteam derzeit die Möglichkeit, Interventionen zu entwickeln, die das Mikrobiom gezielt manipulieren können, um gesundheitliche Nutzen zu erzielen. „Wir brauchen Mittel und Wege, Mikrobiome gezielt zu gestalten, und das Projekt BIOMA hat uns dafür sicherlich einige interessante Werkzeuge an die Hand gegeben“, so Hill abschließend.
Schlüsselbegriffe
BIOMA, Darmmikrobiom, Gesundheit, Bacteriocine, Mikroflora, Bakterien, mathematische Modelle
