Minimale Darmflora mit maximaler Wirkung

Im Darm gesunder Menschen und Mäuse bilden hunderte verschiedene Mikroorganismen eine komplexe Gemeinschaft. Diese natürliche Darmflora – die Mikrobiota – schützt sehr effizient vor Infektionen, etwa mit Salmonellen oder mit Clostridium difficile, dem Erreger des Antibiotika-assoziierten Durchfalls. Wissenschaftlern um die LMU-Biologin Professor Bärbel Stecher ist es nun in Kooperation mit der Universität Wien und der Techischen Universität München gelungen, im Mausmodell ein Konsortium – also eine bakterielle Lebensgemeinschaft – von nur 15 Bakterienarten zu etablieren, das denselben Schutz vor Infektionen bietet wie die vielfältige natürliche Darmmikrobiota. Das neue Modell ermöglicht erstmals gezielte Studien zur Interaktion der Darmmikrobiota mit Wirt und Erreger und kann langfristig zur Entwicklung neuer Therapien führen. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Microbiology.

Der Schutzmechanismus der Darmmikrobiota gegenüber Erregern wird als Kolonisierungsresistenz bezeichnet. Antibiotika können die Kolonisierungsresistenz aufheben, weil die Medikamente die Zusammensetzung der Darmmikrobiota empfindlich stören. „Bisher ist unklar, welche Rolle einzelne Bakterienarten für die Kolonisierungsresistenz spielen“, sagt Stecher, die auch Mitglied des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF) ist. „Um die Funktionen der Darmmikrobiota weiter zu entschlüsseln, haben wir in meinem Labor zunächst ein Minimalkonsortium aus 12 Bakterienarten etabliert, die für die Maus repräsentativ sind.“ Dieses als Oligo-MM-12 bezeichnete Konsortium besiedelt keimfreie Mäuse stabil über mehrere Generationen, bietet allerdings nicht denselben Schutz wie die natürliche Darmmikrobiota: Die Salmonellen-Resistenz von Oligo-MM-12 besiedelten Mäusen liegt zwischen völlig keimfreien und normalen Mäusen.

Auf Basis dieser Beobachtung entwickelten die Wissenschaftler einen neuen Ansatz, um die für einen vollständigen Schutz fehlenden Bakterien zu finden, das sogenannte „Genome-guided-microbiota-design“. „Wir haben die Erbinformationen der Oligo-MM-12 mit denen normaler komplexer Mikrobiota verglichen und dabei die Gengruppen identifiziert, die im Konsortium fehlen“, erklärt Stecher. Einige dieser Gene sind charakteristisch für fakultativ anaerobe Bakterien: Eine spezielle Gruppe von Bakterien, die in Anwesenheit von Sauerstoff optimal wachsen, aber auch ohne Sauerstoff gedeihen können. Auch Salmonellen sind fakultativ anaerob. Fast alle Bakterien im Oligo-MM-12 Konsortium dagegen sind obligate Anaerobier, für die Sauerstoff giftig ist.

„Deshalb haben wir das Konsortium um drei im Mausdarm vorkommende fakultativ anaerobe Bakterienarten ergänzt“, sagt Stecher. „Im Anschluss haben wir experimentell nachgewiesen, dass nur in dieser Kombination eine Kolonisierungsresistenz gegen Salmonellen erreicht wird, die mit Mäusen mit einer natürlich komplexen Mikrobiota vergleichbar ist.“ Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass das erweiterte Konsortium und das neue Prinzip des „Genome-guided-microbiota-design“ entscheidend dazu beitragen können, wichtige bisher unbekannte Funktionen der Darmmikrobiota aufzudecken. Möglicherweise könnten so auch Bakteriengruppen identifiziert werden, die sich für die Therapie krankheitsbedingter Fehlfunktionen der Darmmikrobiota eignen.Nature Microbiology 2016