Pressemitteilung
Stoffwechselforschung
15.11.2017

Das Mikrobiom für alle Lebenslagen

Seit rund zehn Jahren erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Besiedlung des Darms. Dennoch sind grundsätzliche Fragen zum menschlichen Mikrobiom nach wie vor ungeklärt. Neueste Erkenntnisse liefern nun drei Teams von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Helmholtz Zentrums München und der Technischen Universität München (TUM) in einer kürzlich erschienenen Trilogie von Publikationen, die hier kurz vorgestellt werden.
Mikrobiom im Darm

© Fotolia/Alex

Kalte Kartoffeln gegen komplexe Krankheiten

Lässt man stärkehaltige Lebensmittel wie Kartoffeln abkühlen, so entsteht sogenannte resistente Stärke. Sie ist von den körpereigenen Enzymen, den Amylasen, nicht abbaubar und soll Krankheiten wie Darmkrebs und Diabetes vorbeugen. Doch wie sie genau im Körper wirkt, ist bisher kaum erforscht. In einer aktuellen Studie im Fachjournal ‚mBio‘ zeigten die Wissenschaftler, dass besonders die Bakteriengattung Firmicutes von einer Diät mit viel resistenter Stärke profitiert. Zugleich wurden im Darm Moleküle gebildet, die für den menschlichen Fettstoffwechsel eine wichtige Rolle spielen. Für die Studie hatten die Autoren Stuhlproben von 39 Probandinnen und Probanden untersucht, die sich jeweils für zwei Wochen von viel oder wenig resistenter Stärke ernährt hatten. Dazwischen lag eine Übergangsphase ohne spezielle Diät. „Durch die Verknüpfung von genomischen, proteomischen und metabolomischen Daten konnten wir erstmals einen umfassenderen Einblick gewinnen, wie sich resistente Stärke auf das Mikrobiom im Darm und damit auch auf die Gesundheit auswirkt“, erklärt Prof. Dr. Philippe Schmitt-Kopplin, Leiter der Abteilung Analytische Biogeochemie (BGC) am Helmholtz Zentrum München und des Lehrstuhls für Analytische Lebensmittelchemie an der TUM. „Gerade mit Blick auf Ernährungsstudien und die Diabetesforschung wollen wir die Zusammenhänge künftig noch detaillierter aufklären.“

Baby-Darm bleibt seiner Ursprungsbesiedlung treu

Kann die Darmflora eines Babys durch Zugabe von Bakterien in die Milchnahrung beeinflusst werden? Mit dieser Frage befasste sich die Gruppe von Prof. Dirk Haller vom Lehrstuhl für Ernährung und Immunologie der TUM gemeinsam mit dem Team um Philippe Schmitt-Kopplin. Sie untersuchten an 105 Babys die Wirkung von mehreren Bifidobakterien als Zusatz in Milchnahrung in den ersten zwei Lebensjahren. Bifidobakterien sind wichtige Besiedler im Neugeborenendarm und werden immer wieder mit probiotischen Effekten in Zusammenhang gebracht. Völlig unklar ist die Frage, ob Bifidobakterien in der Säuglingsnahrung die Besiedlung des Darms und deren Stoffwechselprodukte (Metabolite) in der monatlichen Dynamik des ersten Lebensjahrs beeinflusst. Die Wissenschaftler konnten belegen, dass die Darmflora bei Säuglingsnahrung im Vergleich zur Muttermilch tatsächlich signifikant unterschiedlich ist und heterogener zusammengesetzt war. „Allerdings stellten wir am Ende des zweiten Jahres fest, dass Bifidobakterien in der Nahrung nur wenig Einfluss auf die Kolonisierung hatten und anfängliche Unterschiede im Laufe der zwei Jahre wieder verschwanden“, sagt Haller. „Das wirft natürlich sehr viele neue Fragen auf, etwa ob Babys gar keine heterogene Mikrobiota brauchen? Denn die Muttermilchzusammensetzung enthält wenige dominante Bifidobakterienarten. Später im Erwachsenenalter haben wir eine viel heterogenere Besiedelung des Darmes und Diversität korreliert mit einem gesunden Ökosystem.“ Ab Februar 2018 wird daher eine Folgestudie zum Thema durchgeführt, um die aufgekommenen Fragen zu klären.

Neue Molekülklasse im Darm entdeckt

In einer weiteren Studie in ‚Scientific Reports‘ wiesen die Mikrobiom-Experten zudem eine ungewöhnliche Klasse von bakteriellen Fetten (Sulfonolipiden) im Darm nach. „Im Darm befinden sich zahlreiche Stoffwechselprodukte, die sich in Abhängigkeit der Ernährung aber auch des Gesundheitsstatus des Wirtes verändern“, erklärt BGC-Wissenschaftlerin Dr. Alesia Walker, die Erstautorin der Arbeit. „Sie aufzuspüren und metabolomisch zu charakterisieren ist ein erster Schritt, um das komplexe Wechselspiel zwischen dem Darm und seinen Bewohnern zu verstehen.“ Bisher waren die Fette nur in Umweltbakterien beschrieben worden, nun fanden die Forscher sie im Darm von Mäusen - je nach deren Ernährung leicht verändert. Zudem konnten die Wissenschaftler bereits feststellen, welche Bakterien genau die seltenen Verbindungen herstellen (Alistipes und Odoribacter). In bereits laufenden Untersuchungen wollen die Forscher nun herausfinden, ob sich diese Erkenntnisse auch beim Menschen bestätigen. Darüber hinaus wollen sie die Lipide auf deren biologische Funktion testen. „Da der Wirt selber ist nicht in der Lage ist, die Verbindungen herzustellen, vermuten wir ein chemisches Kontinuum zwischen Umwelt- und Darmmikrobiom“, erläutert Schmitt-Kopplin.

Beispielhafte Kooperation zwischen TUM und Helmholtz Zentrum München

Für Haller sind die Studien ein weiterer Beleg für die erfolgreiche Kooperation zwischen der TUM und dem Helmholtz Zentrum München. „Gemeinsam bearbeiten wir das Thema Mikrobiom und Gesundheit auf sehr hohem Niveau und können unsere Ressourcen sinnvoll bündeln.“ Dazu ergänzt Analyse-Experte Schmitt-Kopplin: „Heutzutage ist Wissenschaft kaum noch denkbar ohne internationale und interdisziplinäre Vernetzung. Durch unsere Expertise auf dem Gebiet der Mikrobiomforschung können wir zahlreiche Forschungsfelder wie beispielsweise die Stoffwechselforschung grundlegend bereichern.“

Weitere Informationen

Original-Publikationen:
Bazanella, M. et al. (2017): Randomized controlled trial on the impact of early-life intervention with bifidobacteria on the healthy infant fecal microbiota and metabolome. The American Journal of Clinical Nutrition, DOI: 10.3945/ajcn.117.157529

Maier, TV. et al. (2017): Impact of Dietary Resistant Starch on the Human Gut Microbiome, Metaproteome, and Metabolome. mBio, DOI: 10.1128/mBio.01343-17

Walker, A. et al. (2017): Sulfonolipids as novel metabolite markers of Alistipes and Odoribacter affected by high-fat diets. Scientific Reports, DOI: 10.1038/s41598-017-10369-z

Hintergrund:
Metabolomik (engl.: metabolomics) bezeichnet einen neuen Ansatz in der Stoffwechselforschung, der die Stoffwechsel-Eigenschaften ganzheitlich - unter Einbeziehung von Umsatzraten, Interaktion sowie räumlicher und zeitlicher Trennung einzelner Stoffwechselwege - betrachtet. Auch genetische und mikrobielle Einflüsse finden darin Berücksichtigung. Dass die genutzten wie erhobenen Daten der Metabolomik äußerst komplex sind, liegt auf der Hand – verfeinerte biologische wie mathematische Analysemethoden sind daher gefragt. Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums München nutzen eine besonders hochauflösende Form der Massenspektrometrie, um in kürzester Zeit detaillierte Informationen über den metabolischen Status einer Probe zu erhalten. Die Autorin Tanja Verena Maier ist Mitglied der Helmholtz Graduate School Environmental Health, kurz HELENA.

Das Helmholtz Zentrum München verfolgt als Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt das Ziel, personalisierte Medizin für die Diagnose, Therapie und Prävention weit verbreiteter Volkskrankheiten wie Diabetes mellitus, Allergien und Lungenerkrankungen zu entwickeln. Dafür untersucht es das Zusammenwirken von Genetik, Umweltfaktoren und Lebensstil. Der Hauptsitz des Zentrums liegt in Neuherberg im Norden Münchens. Das Helmholtz Zentrum München beschäftigt rund 2.500 Mitarbeiter und ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der 19 naturwissenschaftlich-technische und medizinisch-biologische Forschungszentren mit rund 37.000 Beschäftigten angehören. 

Die selbstständige Abteilung Analytische Biogeochemie (BGC) untersucht molekulare Wechselwirkungen von Stoffen in Biogeosystemen. Hochauflösende Methoden der organischen Strukturaufklärung ermöglichen zusammen mit Trennverfahren und mathematischen Methoden eine präzise raum- und zeitauflösende Analyse. Ziel ist es, das Verständnis  der molekularen Abläufe in Ökosystemen und die Bestimmung von Biomarkern in Organismen zu verbessern. BGC gehört dem Department of Environmental Sciences an.

Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 550 Professorinnen und Professoren, 41.000 Studierenden sowie 10.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern eine der forschungsstärksten Technischen Universitäten Europas. Ihre Schwerpunkte sind die Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften, Lebenswissenschaften und Medizin, verknüpft mit den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Die TUM handelt als unternehmerische Universität, die Talente fördert und Mehrwert für die Gesellschaft schafft. Dabei profitiert sie von starken Partnern in Wissenschaft und Wirtschaft. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Verbindungsbüros in Brüssel, Kairo, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006 und 2012 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings gehört sie regelmäßig zu den besten Universitäten Deutschlands. 

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