Kreative Nutzung vorhandener Werkzeuge: Wie Darmbakterien erhitzte Lebensmittel abbauen

Durch Erhitzen entstehen in Lebensmitteln neue Verbindungen. Eine Studie zeigt, dass ein Enzym bestimmter Vertreter des Darmmikrobioms für deren Verwertung sein Funktionsspektrum erweitern kann.

Bei der chemischen Reaktion ‒ der Maillard-Reaktion ‒, die beim Erhitzen von Lebensmitteln abläuft und für eine röst-braune Färbung sorgen, reagieren Aminosäuren mit Zuckern. Am Ende der Reaktion stehen veränderte Formen natürlicher Nahrungsbestandteile. Deren Einfluss auf Darmbakterien ist bisher nur wenig verstanden.

Ein interdisziplinäres Team um PD Dr. Jürgen Lassak (Ludwig-Maximilians-Universität München) und Prof. Michael Hellwig (Technische Universität Dresden) hat nun untersucht, wie solche Nahrungsbestandteile abgebaut werden. Dabei haben die Forschenden neue Einblicke in das Zusammenspiel von Ernährung und Darmmikrobiom gewonnen. Die Ergebnisse wurden im Journal „Food Chemistry“ veröffentlicht.

Im Fokus stand eine veränderte Form der natürlichen Aminosäure Lysin namens Nε-Carboxymethyllysin (CML), die in erhitzten Lebensmitteln häufig vorkommt. Im Gegensatz zu natürlichen Aminosäuren werden deren veränderte Formen im Dünndarm wenig bis gar nicht aufgenommen und gelangen in den Dickdarm, wo sie auf die Darmmikrobiota treffen.

Enzym als „Multitool“ für den Abbau veränderter Aminosäuren

Das Forscherteam konnte nun im Darmbakterium Escherichia coli nachweisen, dass das Enzym SpeC zusätzlich zu seiner bisher bekannten Funktion auch CML abbauen kann. „Die Bakterien müssen dafür also keine neuen Werkzeuge entwickeln, sondern nutzen ihr vorhandenes Repertoire auf kreative Weise um“, erläutert Lassak. Besonders bemerkenswert sei dabei, dass SpeC nicht nur CML erkennt, sondern ähnlich wie ein Multitool auch weitere chemisch veränderte Aminosäuren umsetzen kann.

„Evolutionär ist das bedeutsam”, betont Erica Aveta, gemeinsam mit Patroklos Vougioukas Erstautorin der Arbeit. „Solche Nebenaktivitäten können Bakterien einen ersten Zugang zu neuen Nahrungsbestandteilen eröffnen. Wird ein Nahrungsbestandteil aber regelmäßig verfügbar, kann aus dem ‚Multitool‘ SpeC durch Anpassung ein effizienteres, dafür spezialisiertes Werkzeug entstehen.”

Zusammenhänge mit Darmkrebs, steatotischer Lebererkrankung und Hepatitis

Computergestützte Analysen deuten darauf hin, dass solche Abbaukapazitäten im menschlichen Darmmikrobiom weit verbreitet sind. Die Studie zeigt außerdem Zusammenhänge mit mehreren ernährungs- und lebensstilassoziierten Erkrankungen, darunter Darmkrebs, steatotischen Lebererkrankungen und Hepatitis. Denkbar wäre laut den Wissenschaftlern beispielsweise, dass der bakterielle CML-Abbau bestimmten Bakterien in einem entzündeten Darmmilieu Vorteile verschafft. Zudem entstehen beim Abbau der chemisch veränderten Aminosäuren neuartige biogene Amine – eine Molekülgruppe, die als Vermittler in der Kommunikation zwischen Bakterien und Wirt intensiv diskutiert wird.

„Die von uns beobachteten Zusammenhänge beweisen allerdings noch keine Ursache-Wirkungs-Beziehung”, stellt Lassak klar. „Sie zeigen aber, dass verarbeitete Nahrung, mikrobielle Stoffwechselwege und Gesundheitszustand enger miteinander verbunden sein könnten als bislang angenommen“, ergänzt Hellwig.