Neben Ernährung und Medikamenten kann auch die Übertragung zwischen Menschen eine wichtige Rolle beim Darmmikrobiom spielen.

Ein Forschungsteam unter Leitung der Universität Wien (Österreich) zeigt mit dem Analyseansatz „Reverse Ökologie“, dass viele bekannte Darmbakterienarten aus mehreren evolutionär differenzierten Gruppen bestehen, die sich an unterschiedliche Bedingungen im Darm angepasst haben. Einige dieser Populationen stehen mit höherem Alter, Chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, Darmkrebs und Typ-2-Diabetes in Zusammenhang. Die Ergebnisse wurden nun in „Nature“ veröffentlicht und könnten nach Ansicht der Autoren künftig die Suche nach Biomarkern verbessern und langfristig präzisere Therapien ermöglichen.

Aus Genomdaten auf ökologische Anpassungen schließen

Mikrobiomstudien ordnen Bakterien meist ganzen Arten oder genetisch ähnlichen Gruppen zu. Diese Kategorien sind praktisch, bilden aber nicht unbedingt jene Populationen ab, die an unterschiedliche Bedingungen im menschlichen Körper angepasst sind. So bleibt oft unklar, welche Bakterien mit Erkrankungen in Zusammenhang stehen, welche lediglich Begleiterscheinungen sind – und welche möglicherweise schützen. Daraus ergibt sich eine zentrale Frage: Lassen sich präzisere biologische Einheiten finden, die durch Anpassung entstanden sind und verschiedene ökologische Nischen im Darm besetzen?

Das Forschungsteam analysierte tausende bakterielle Isolate aus dem menschlichen Darm sowie umfangreiche Metagenomdaten von Menschen aus unterschiedlichen Ländern sowie verschiedenen Alters- und Gesundheitsgruppen. Mithilfe eines neu entwickelten bioinformatischen Verfahrens im Rahmen der „Reverse Ökologie“ – einem Ansatz, der aus Genomdaten auf ökologische Anpassungen schließt – suchten die Forschenden nach genetischen Spuren erfolgreicher Anpassung.

Mehr als eine Art

Als besonders interessant werteten die Wissenschaftler Hinweise auf genomweite selektive „Sweeps“ – Prozesse, bei denen ein Individuum eine begünstigende Mutation erhält und dadurch andere, nahverwandte Individuen verdrängt. Dadurch geht einerseits Diversität verloren. Andererseits entstehen Populationen von Individuen, die verwandtschaftlich und funktionell sehr homogen sind und sich daher im Datensatz klar voneinander unterscheiden.

Die Analyse zeigte, dass sich viele bekannte Darmbakterienarten in mehrere solcher Linien aufgliedern. Diese Populationen unterscheiden sich offenbar darin, unter welchen Bedingungen sie besonders gut gedeihen. „Wenn man nicht nur Arten zählt, sondern evolutionäre Anpassung berücksichtigt, erkennt man die biologisch relevanten Einheiten im Mikrobiom deutlich genauer“, sagt Erstautorin Xiaoqian Annie Yu vom Centre for Microbiology and Environmental Systems Science (CeMESS) der Universität Wien. „Selbst innerhalb derselben Bakterienart kommen manche Populationen bei bestimmten Erkrankungen häufiger vor als andere. Werden alle gemeinsam betrachtet, bleibt das oft verborgen.“

Globale Ausbreitung innerhalb weniger Jahrzehnte

Die Forschenden fanden zudem Hinweise darauf, dass sich konkurrenzstarke Populationen über Kontinente hinweg rasch verbreiten können – teils innerhalb weniger Jahrzehnte. Ein solches Muster ist bislang vor allem von Krankheitserregern bekannt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass auch Darmbakterien dynamischer sind als lange angenommen“ Gut angepasste Linien können sich international verbreiten und neue ökologische Nischen besetzen”, sagt Studienleiter Martin F. Polz von der Universität Wien. Das deute darauf hin, dass nicht nur Ernährung, Medikamente oder Lebensstil das Mikrobiom formen, sondern auch Übertragungsprozesse zwischen Menschen eine wichtige Rolle spielen könnten.

Neue Perspektiven für Medizin und Diagnostik

Die Studie eröffnet den Wissenschaftlern zufolge neue Möglichkeiten für die Mikrobiomforschung. Statt ganze Bakterienarten mit Erkrankungen zu verknüpfen, könnten künftig gezielt jene Populationen erfasst werden, die tatsächlich von Bedeutung sind. Das könnte die Suche nach Biomarkern verbessern und langfristig präzisere Therapien ermöglichen – etwa durch die gezielte Förderung nützlicher oder die Verdrängung problematischer Bakterienlinien.

Als nächsten Schritt will das Team untersuchen, welche Gene die identifizierten Populationen voneinander unterscheiden und welche biologischen Funktionen damit verbunden sind.

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