Die Grenzwächter: Mucus-assoziierte Darmmikroben

Der Darm gesunder Menschen und Tiere beherbergt eine enorm große Anzahl und Vielfalt symbiotischer Mikroorganismen, die nur durch eine vom Wirt sekretierte Mukusschicht vom Wirtsorganismus getrennt sind. Diese Mukusschicht ist von großer Bedeutung für die Vermittlung immunologischer Toleranz und den Schutz gegen das Eindringen von Krankheitserregern. Der Mukus ist aber nicht nur eine physische Barriere, sondern auch ein einzigartiger Lebensraum mit mannigfaltigen Nährstoffquellen für Mikroorganismen. Während wir allgemein wissen, dass sich die mukusassozierte Darmmikrobiota von der Mikrobiota im Darmlumen unterscheidet, ist nur sehr wenig über die Zusammensetzung und räumliche Strukturierung der mukusassozierten Artengemeinschaft in den verschiedenen Darmabschnitten bekannt. Aufgrund der Komplexität des Darmökosystems konnten mukusverwertende Darmmikroorganismen bislang nicht direkt in ihrem natürlichen Lebensraum untersuchen werden. Somit basiert unser heutiges Wissen fast ausschließlich auf vereinfachten Modellsystemen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Wissenslücken bezüglich Zusammensetzung, räumlicher Anordnung, Ökophysiologie und metabolischer Flexibilität der mukusassoziierten Mikroorganismen am Beispiel des Mäusedarms zu schließen. Ermöglichen soll dies eine Kombination komplementärer Ansätze, die in erster Linie auf kultivierungsunabhängigen Methoden und Einzelzelltechniken, aber auch einem neuen Ansatz zur in vivo Isotopenmarkierung beruhen. Zuerst werden die Zusammensetzung und die räumliche Struktur der mukusassoziierten Mäusedarmmikrobiota mittels DNA-Sequenziertechniken und Fluoreszenz in situ Hybridisierung, kombiniert mit quantitativer Bildanalyse, untersucht. Dann sollen mikrobielle Populationen identifiziert werden, welche die wichtigsten vom Wirtsorganismus ausgeschiedenen Glykanzucker und Aminosäuren verwerten. Der dafür verwendete in vivo Isotopenmarkierungsansatz wurde kürzlich von uns entwickelt, um die Nutzung wirtseigener Verbindungen durch Darmbakterien zu untersuchen. Erstmals können so Mikroorganismen, die Mukusverbindungen verwerten, von solchen, die lediglich mit dem Mukus physisch assoziiert sind, unterschieden werden. Um den Grad der Abhängigkeit der mukusverwertenden Darmmikrobiota von Mukusbestandteilen des Wirts festzustellen, werden Kolonisierungsexperimente in mukusdefizienten Mäusen durchgeführt. Modulation des diätischen Polysaccharidgehalts und -typs soll zeigen, ob mukusverwertende Mikroorganismen durch eine Ernährung, die reich an Verbindungen mit strukturellen Ähnlichkeiten zu sekretiertem Mucin ist, stimuliert werden. Schließlich werden durch vergleichende Genomanalyse der wichtigsten Mukusverwerter konservierte metabolische Funktionen identifiziert, um so unser grundlegendes Verständnis der Ökophysiologie dieser wichtigen funktionellen Gruppe im Darm zu erweitern. Die Adaptierung und kombinierte Anwendung dieser innovativen Ansätze wird neue Werkzeuge sowie eine wertvolle konzeptionelle Grundlage zu Struktur und Aktivität der mukusassoziierten Darmmikrobiota für zukünftige Studien dieser wichtigen "Grenzwächter" des Darms schaffen.

Ein gesunder menschlicher und tierischer Darm beherbergt eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroorganismen, die nur durch eine dünne Schicht abgesonderten Schleim (Mucus) vom Darmgewebe getrennt sind. Dieser Schleim dient nicht nur als wichtige physische Grenze zwischen Darmzellen und Mikroorganismen, sondern auch als eine einzigartige ökologische Nische für Mikroben und bietet diesen sowohl einen physischen Lebensraum als auch eine Nährstoffquelle. Über die Zusammensetzung und den räumlichen Aufbau der Mucus-assoziierten Gemeinschaft von Mikroorganismen ist jedoch noch sehr wenig bekannt. Aufgrund der Komplexität des Ökosystems im Darm ist die direkte Untersuchung der Nährstoffaufnahme der Mikroben, die sich von organischen Verbindungen aus dem Mucus ernähren, nicht möglich. Daher basiert fast unser gesamtes Wissen über diesen wichtigen Lebensraum auf vereinfachten Modellsystemen. In diesem Projekt konnten wir diese Wissenslücke schließen und Licht in die Zusammensetzung, Struktur und Physiologie der schleimassoziierten Mikrobiota bringen. Wir konnten zeigen, dass die schleimassoziierte Mikrobiota der räumlich weiter vom Schleim entfernten Mikrobiota stark ähnelt, was darauf hindeutet, dass eine umfangreiche Durchmischung des Mucus mit der großen Masse der Mikroorganismen im Darm stattfindet. Eines unserer wichtigsten Forschungsresultate konnte mit Hilfe einer neuartigen Technik zur Aktivitätsmessung in einzelnen Zellen, die auf der Verwendung von stabilen Isotopen in Verbindung mit Raman-Mikrospektroskopie und mikrofluidischer Sortierung der Zellen basiert, gewonnen werden. Hierdurch konnten wir eine Kerngruppe der Darmmikrobiota definieren, die Schleim und Nährstoffe, die durch den Schleimabbau freigesetzt werden, abbaut. Bakterien, die diese freigesetzten Nährstoffe abbauen können, sind in der Lage, die Besiedlung des Darms durch den weit verbreiteten Krankheitserreger C. difficile zu beeinträchtigen. Somit könnte es möglich sein, in der Zukunft Mucus-assoziierte Bakterien als probiotische Therapie einzusetzen, um dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Infektion mit C. difficile und anderen Enteropathogenen zu verringern.