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Das Darm-Mikrobiom im Wandel der Jahrtausende

Was archäologische Funde über unsere heutige Darmflora aussagen

Bis vor wenigen Jahren interessierte sich die Forschung nicht für unser Darm-Mikrobiom. Aber seit bekannt geworden ist, wie wichtig die Darmflora für unsere Gesundheit ist, hat sich das geändert. Es wird intensiv geforscht und immer mehr neue Zusammenhänge treten ans Tageslicht. Viele Krankheiten gehen mit einer veränderten Zusammensetzung des Mikrobioms einher. Und sie lassen sich mit Hilfe von Stuhltransplantationen von einem Individuum auf ein anderes übertragen. Das gilt sowohl für die Beschwerden als auch für deren Linderung.

In unserer modernen, industrialisierten Gesellschaft treten vermehrt so genannte Zivilisationskrankheiten wie Diabetes, Adipositas oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen  auf, während unser Darm-Mikrobiom an Arten verarmt. Forscher vermuten hier einen Zusammenhang und wüssten nur zu gerne, wie ein gesundes Ur-Mikrobiom wohl aussehen müsste. Jetzt hat ihnen der Zufall oder das Glück etwas nachgeholfen.

Den Forschern um Aleksandar D. Kostic vom Joslin Diabetes Center in Boston  geriet ein unglaublicher Schatz in die Hände: Koprolithen – versteinerte Fäkalien, die auch als Paleofaeces bezeichnet werden. Die Forscher untersuchten diese Funde mit dem Ziel, das Ur-Mikrobiom des Menschen zu entschlüsseln und die Veränderungen zu unserem heutigen, von einer industrialisierten Welt geprägten Mikrobiom aufzudecken.

Acht Proben aus Paleofaeces von drei verschiedenen Fundorten in Mexiko und dem Südwesten der USA verglichen sie mit knapp 800 aktuellen Proben aus acht industrialisierten oder nicht industrialisierten Ländern. Das Alter der anzestralen, auf unsere Vorfahren zurückgehenden Proben wurde auf 1000 – 2000 Jahre datiert.

Anzestrale Mikrobiome wurden entschlüsselt und verglichen

Bei der Zusammensetzung der verschiedenen Mikrobiome fanden die Forscher weitgehende Überstimmung zwischen anzestralen und modernen Mikrobiomen aus nicht industrialisierten Ländern. Im Vergleich zu modernen Proben aus industrialisierten Regionen kamen allerdings deutliche Unterschiede ans Tageslicht.

In den modernen Mikrobiomen aus industrialisierten Ländern fanden sie im Gegensatz zu den anzestralen Proben vermehrt Angehörige der Bacteroidetes und Verrucomicrobia, deren prominentester Vertreter Akkermansia muciniphila ist. Dafür war die große Gruppe der Firmicutes weniger stark vertreten.

Im allgemeinen geht man davon aus, dass ein hoher Anteil an Bacteroidetes sich günstig auf die Gesundheit auswirkt und wünschenswert ist. Firmicutes dagegen werden mit Zivilisationskrankheiten in Verbindung gebracht. Das ist bemerkenswert, denn in den anzestralen Mikrobiomen, die wir erstmal für „gesünder“ halten, ist das Verhältnis der beiden Stämme zu Gunsten der Firmicutes verschoben.

Allerdings besteht ein Bakterienstamm aus unzähligen verschiedenen Arten und es kommt im Detail darauf an, welche Arten nun vorhanden sind und welche nicht.
Es ist, als würde man eine Dorfgemeinschaft an ihrer Gesamtpopulation an Säugetieren messen und feststellen, dass viele Säugetiere sich negativ auswirken, weil man Ratten, Mäuse und andere „Schädlinge“ mitgezählt hat und nicht nur auf Menschen, Hunde und Katzen blickt, die generell willkommen sind.

Betrachtet man die nähere Verwandtschaft, stimmt der Trend wieder. Bestimmte Familien von Bakterien neigen dazu, sich in modernen Mikrobiomen rar zu machen und tatsächlich fanden die Forscher mehr davon in den anzestralen Proben.
Andere Gruppen von Bakterien kommen in den modernen Mikrobiomen häufiger vor und sind prompt in den urtümlichen Mikrobiomen weniger stark vertreten.

Industrialisierung verändert das Mikrobiom

Die Artenzusammensetzung der anzestralen und modernen Mikrobiome aus nicht industrialisierten Ländern stimmt weitgehend überein. Überraschenderweise mangelt es in den anzestralen und nicht-industrialisierten Mikrobiomen unter anderem an Akkermansia muciniphila, also Bakterien, denen wichtige gesundheitsfördernde oder -erhaltende Eigenschaften zugeschrieben werden. Aber vielleicht ist das wie mit der Feuerwehr: Wenn es nicht brennt, braucht man sie nicht. Bricht ein Feuer aus, ist sie dagegen sehr willkommen.
Bakterien der Gattung Ruminococcus gab es in den Mikrobiomen unserer Urahnen häufiger, während sie bei beiden Gruppen von modernen Mikrobiome weniger stark vertreten sind. Ruminokokken haben ein wichtige Funktion im Aufschluss von Zellulose bei pflanzlicher Ernährung. Bei karger pflanzlicher Kost sind sie hochwillkommen, denn sie machen die Nahrung energiereich. Deswegen stehen sie heute, in unserer mangelfreien Überflussgesellschaft, im Ruf, dick zu machen.

Artensterben in unseren Därmen

Insgesamt konnten die Forscher 181 Genome von Darmbakterien aus den Paleoproben identifizieren. Einundsechzig dieser Genome, das entspricht 39%, gehören zu bisher unbekannten Arten. Sie fehlen in den modernen Mikrobiomen sowohl aus industrialisierten als auch nicht-industrialisierten Ländern. Das zeigt, dass in den vergangenen Jahrhunderten ein massives Artensterben oder zumindest eine Artenverschiebung in unseren Därmen stattgefunden hat. Es wäre aber durchaus dankbar, dass die Funktionen, die die verschwundenen Arten ausübten, heute von anderen Symbionten übernommen werden.

Sieben dieser 61 neuen Arten kamen in allen Paleoproben vor. Das wiederum deutet darauf hin, dass diese auch eine gewisse Bedeutung für ihre Wirte hatten. Manche Arten, die man aus modernen Mikrobiomen kennt, waren aber auch schon vor 1000 oder 2000 Jahren mit uns vergesellschaftet und sind uns bis heute erhalten geblieben.

Funktionen des anzestralen Darm-Mikrobioms

Wie sieht es aus? Erfüllen die anzestralen und modernen Mikrobiome noch dieselben Aufgaben? Die Analyse der Mikrobiome erlaubte auch Schlüsse auf die Funktionen, die die Symbionten leisten, unabhängig von welcher Art sie bereitgestellt wird. Die funktionelle Analyse zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Proben, vor allem zwischen den anzestralen und modernen Proben.

Springende Gene

Die anzestralen Mikrobiome waren flexibler. Sie enthielten deutlich mehr Gene, die für Transposasen codieren. Transposasen sind Bestandteil von springenden Genen, auch Transposons genannt. Diese haben die Fähigkeit, sich mit Hilfe der Transposasen selbst aus dem Genom auszuschneiden und an anderer Stelle wieder einzufügen. Das trägt erheblich zur Neuorganisation der DNA bei. Gene können dadurch komplett stillgelegt, aber auch aktiviert werden. Die Anzahl der Transposasen nimmt von anzestralen Proben über nicht industrialisierte zu industrialisierten ab.

Antibiotikaresistenzen

Im Gegensatz zu modernen Mikrobiomen enthalten die anzestralen Proben viel weniger Antibiotikaresistenzen. Angesichts der Flut von Antibiotika, mit der wir unsere Symbionten heute überschwemmen, ist das keine Überraschung.

Kohlenhydratstoffwechsel

Auch in den Kohlenhydrate verwertenden Enzymen unterscheiden sich die Mikrobiome deutlich. Kohlenhydrate oder Polysaccharide kommen in vielen verschiedenen Verbindungen vor und um sie abbauen und spalten zu können sind hochspezifischen Enzyme nötig. Kein Wunder, dass die Ausstattung mit diesen so genannten Cazymen stark vom aktuellen Speiseplan abhängt.

In den anzestralen Mikrobiomen und denen aus nicht industrialisierten Ländern dominieren Enzyme zum Abbau von Stärke und Glykogen.
Interessanterweise findet man in den modernen Mikrobiomen aus industrialisierten Ländern vermehrt Gene zum Abbau von Mucinen und Alginaten. Alginate stammen aus Braunalgen und sind ein gängiger Zusatzstoff der Lebensmittelindustrie.

Fazit:

In den vergangene Jahrtausenden hat sich unser Darm-Mikrobiom deutlich verschlankt. Die Artenarmut unserer Mikrobiome korreliert mit der Verbreitung von Zivilisationskrankheiten. Die Forscher wollen nun in zukünftigen Studien daran arbeiten, das anzestrale Mikrobiom zu rekonstruieren.


Quelle: Wibowo MC, Yang Z, Borry M, et al. Reconstruction of ancient microbial genomes from the human gut  Nature. 2021;10.1038/s41586-021-03532-0. doi:10.1038/s41586-021-03532-0

Bildquelle: Die menschliche Darmflora als Untersuchungsobjekt in der Archäologie, (c) adobe media, Scientist pick up trilobite fossil find from ground, von Couperfield

AUTORIN

Dr. Evelyn Zientz

KATEGORIE

Mikrobiom

GEPOSTED AM

23. April 2021

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