Mit dem Taxi durch den Darm: Ameisensäure als Verbindung im Mikrobiom

Forschende von der Goethe-Universität haben eine überraschende Rolle der Ameisensäure im menschlichen Darm entdeckt: Das kleine Molekül fungiert als eine Art „Taxi“ für Elektronen – sowohl innerhalb von Bakterien als wahrscheinlich auch zwischen verschiedenen Mikroorganismen.

Bei der Verstoffwechselung von Nahrungsbestandteilen durch das Darmbakterium Blautia luti entsteht unter anderem Essigsäure (Acetat). Diese fungiert als wichtiger Energielieferant für Darmzellen und kann als Signalstoff über die Darm-Hirn-Achse das menschliche Wohlbefinden beeinflussen.

Taxis für den Elektronentransport

B. luti lebt im Darm unter Luftabschluss und kann nicht atmen, sondern nur gären. Dabei werden Kohlenhydrate zu Laktat, Succinat, Ethanol, Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt, die als Endprodukte des Stoffwechsels ausgeschieden werden. Zu viel Wasserstoff im Darm ist ungesund, da es die weitere Vergärung hemmt. Daher verbrauchen Archaeen den Wasserstoff. Sie stellen daraus Methan her und regulieren so den Wasserstoffhaushalt im Darm. Wasserstoff agiert sozusagen als Elektronentaxi innerhalb eines Bakteriums und zwischen unterschiedlichen Bakterien.

Dieser Vorgang ist jedoch mit einem starken Energieverlust verbunden und daher unvorteilhaft für die Bakterien. B. luti hat eine zusätzliche, bessere Möglichkeit. Wie Raphael Trischler und Prof. Volker Müller vom Lehrstuhl für molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik der Goethe-Universität Frankfurt zeigen, produziert B. luti anstelle von Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff Ameisensäure, in der Wasserstoff an CO₂ gebunden ist. In diesem Fall ist die Ameisensäure das Elektronentaxi und die aufwendige Wasserstoffproduktion kann so umgangen werden.
Ameisensäure als Elektronenspeicher

Für die Ameisensäureproduktion nutzt B. luti das Enzym Pyruvat-Formiat-Lyase. Dieses Enzym ist bei acetogenen Bakterien eher ungewöhnlich. „Die Elektronen werden quasi in der Ameisensäure gespeichert“, erläutert Trischler.

Aber auch zu hohe Konzentrationen von Ameisensäure sind nicht gut. B. luti entgiftet die Ameisensäure zusammen mit CO₂ in einem speziellen Stoffwechselweg (Wood-Ljungdahl-Weg [WLW]), zu Acetat. Im WLW wird CO₂ über zwei verschiedene „Äste“ umgewandelt und am Ende zu Essigsäure zusammengesetzt. Im ersten Ast wandelt normalerweise das Enzym Formiat-Dehydrogenase CO₂ mit Wasserstoff zu Ameisensäure um. „Doch B. luti fehlt die Formiat-Dehydrogenase komplett“, erklärt Trischler, der das Bakterium für seine Doktorarbeit untersucht hat. Stattdessen verwendet B. luti die Ameisensäure direkt. Der Zucker-Abbau auf der einen Seite und die Essigsäure-Produktion auf der anderen sind somit über die Ameisensäure miteinander verbunden. Auf diese Weise verschafft sich das Bakterium einen energetischen Vorteil.

Nützliche Nebeneffekte

In der für die kürzlich in „Gut Microbes“ veröffentlichten Arbeit beobachteten Laborkultur schied B. luti Ameisensäure aus. Im komplexen Nahrungsgeflecht des Darms ist das anders, wie die Forschenden betonen ‒ Ameisensäure reichert sich dort nicht an. Methanbildende Archaeen können Ameisensäure zu Methan umsetzen, aber auch B. luti hat noch einen Trick parat. Für die Reduktion von Ameisensäure im WLW braucht es Elektronen, die bei der Gärung aus dem Kohlenhydrat stammen. Aber auch Gase, die von anderen Bakterien produziert werden, kann B. luti dafür nutzen. „In Gegenwart von Wasserstoff verschwindet die Ameisensäure komplett“, berichtet Trischler.

Bemerkenswert sei dabei die Fähigkeit von B. luti, Kohlenmonoxid, das beim Abbau von Hämoglobin entsteht. „Bakterien wie B. luti können dadurch vom Körper selbst produziertes Kohlenmonoxid mit Ameisensäure entgiften“, erläutert Müller. Das erkläre auch, warum so viele Darmmikroben das Enzym Kohlenmonoxid-Dehydrogenase besitzen.

B. luti hat aber laut den Wissenschaftlern noch eine weitere, nützliche Eigenschaft für den Menschen: Neben Acetat produziert es Succinat. Succinat fördert das Wachstum anderer nützlicher Darmbakterien, stimuliert das Immunsystem und ist zudem ein industriell wertvoller Rohstoff für biotechnologische Anwendungen.

Die Studie verdeutlicht, wie vielfältig die Stoffwechselstrategien im Darm sind. „Selbst innerhalb verwandter Bakteriengruppen gibt es faszinierende Unterschiede“, sagt Müller. „Das zu verstehen, hilft uns, die Interaktionen verschiedener Darmbakterien und ihre Rolle für das menschliche Wohlbefinden besser zu entschlüsseln.“