Öko-evolutionäre Prozesse in Darm-Bacteroides

Der menschliche Darm beherbergt ein diverses mikrobielles Ökosystem, welches eine enorm große Zahl und Dichte an Mikroorganismen unterhält, und kollektiv als Darmmikrobiota bezeichnet wird. Diese Organismen haben wichtige Funktionen für den Wirt wie zum Beispiel den Abbau schwerverdaulicher Polysaccharide und die Produktion von Vitaminen. Jeder Mensch hat eine einzigartige, stabile Darmmikrobiota, doch wie es zu dieser individuellen Zusammensetzung der Mikrobiota kommt ist relativ unbekannt. Basierend auf der Annahme, dass mikrobielle Populationen bei Konkurrenz um Nischenplätze in einem Milieu mit vielfältigen Substraten schnelle evolutionäre Anpassungen vollziehen, bietet dieses Vorhaben eine grundlegend neue Sichtweise auf Aufbau und Interaktionen der Darmmikrobiota. Eine schnelle Evolution ermöglicht Koevolution in einem ökologisch sinnvollen Zeitmaßstab und die daraus resultierenden Anpassungen der mikrobiellen Populationen sind der Schlüssel zur Feinjustierung auf ihre Umgebung sowie auf andere Populationen. Die daraus hervorgehende Gemeinschaft wird daher durch das Zusammenspiel ökologischer und evolutionärer Prozesse gestaltet. Anpassung und Diversifikation beeinflussen Eigenschaften der Gemeinschaft wie beispielsweise Produktivität und Stabilität des Ökosystems, sowie die Invasionsfähigkeit durch andere Mikroben (Pathogene oder Kommensalen). Diese Ansicht und damit zusammenhängende Fragen werden mittels eines Ansatzes der experimentellen Evolution behandelt, der einen Schlüsselprozess im Darm erforscht: Polysaccharidabbau durch Vertreter des Genus Bacteroides. Evolutionsbasierte Experimente in kontrolliertem Milieu mit definierten Nischenplätzen und überschaubarem (aber nicht trivialen) Grad an Komplexität werden es uns erlauben fundamentale Fragen über Anpassung, Diversifikation und Aufbau der Darmmikrobiota zu beantworten. Der Abbau von Polysacchariden durch Bacteroides ist nicht nur ein wichtiger Prozess im Darm sondern auch ein gut beforschtes Thema zu dem für dieses neue Evolutionsprojekt nützliches Hintergrundwissen über die Genetik und Biochemie dieser abundanten Bakterien sowie ausgereifte genetische Werkzeuge vorhanden sind. Dieses Projekt untersucht sowohl Modellsysteme mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad als auch reale mikrobielle Gemeinschaften des Darms. Diese Studien werden ein grundlegendes Bild des Zusammenspiels von ökologischen und evolutionären Prozessen der Darmmikrobiota liefern und besitzen das Potential ein neues konzeptionelles Verständnis für die Art der Zusammenstellung von Gemeinschaften verschiedenster natürlicher und technisierter mikrobieller Ökosysteme zu ermöglichen. Diese Forschung könnte nicht nur umfassende Auswirkungen auf unser Verständnis von Darmfunktion, Gesundheit und Ernährung haben, sondern auf lange Sicht auch die Basis für neue therapeutische Strategien für darmassoziierteKrankheiten,wiezumBeispiel Darminfektionen, chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (IBD) und kolorektales Karzinom, darstellen.

Der menschliche Darm beherbergt ein reichhaltiges mikrobielles Ökosystem mit einer enormen Anzahl und Dichte von Mikroorganismen, die zusammen als Darmmikrobiota bezeichnet werden. Die Mikrobiota erbringt wichtige Leistungen, wie den Abbau refraktärer Nahrungspolysaccharide und die Produktion von Vitaminen. Vor kurzem haben wir entdeckt, dass die Darmmikrobiota jedes Menschen eine bestimmte Zusammensetzung hat, die im Laufe der Zeit relativ stabil ist. Es fehlt jedoch noch an konzeptionellem Verständnis grundlegender Fragen, wie dieses komplexe Ökosystem funktioniert, und wie stark und auf welche Weise die Interaktionen zwischen den Mitgliedern der Mikrobiota sind. Dieses Projekt befasste sich mit zwei wichtigen und grundlegenden Fragen der Darmmikrobiologie: Welche Prozesse steuern den Aufbau der mikrobiellen Darmgemeinschaft, und warum ist die Darmmikrobiota innerhalb eines Individuums relativ stabil, aber von Individuum zu Individuum unterschiedlich? In diesem Projekt wurde eine neue Sichtweise auf den Aufbau und die Interaktionen der Darmmikrobiota erforscht, die auf der Idee beruht, dass mikrobielle Populationen aufgrund des Wettbewerbs um Nischen, sowie des Vorhandenseins einer vielfältigen Substratumgebung, eine schnelle und ökologisch wichtige Evolution durchlaufen. Mithilfe eines experimentellen Evolutionsansatzes haben wir herausgefunden, dass sich der im Darm kommensale Bacteroides thetaiotaomicron als Reaktion auf seine Nährstoffumgebung, sowie auf den Teil des Darms in dem er sich ansiedelt, schnell weiterentwickelt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Mitglieder der Darmmikrobiota eine rasche genetische Diversifizierung durchlaufen, und dass diese Diversifizierung zu einer erhöhten Fitness beiträgt und dadurch die Stabilität der ansässigen Mitglieder der Darmmikrobiota verbessern kann. Dies hat Auswirkungen auf die Entwicklung von Strategien zur Modulation der Zusammensetzung der Darmmikrobiota im Hinblick auf die Gesundheit, wie z. B. präbiotische und probiotische Behandlungen.