Bestandsaufnahme der Archaeen im menschlichen Darm

Forschungsteam der Universität Kiel und Medizinischen Universität Graz analysiert umfangreiche Mikrobiomdaten, um die Beteiligung der Archaeen an der mikrobiellen Besiedlung des Körpers aufzuklären

Alle mehrzelligen Lebewesen beherbergen eine unvorstellbar große Anzahl von Mikroorganismen in und auf ihren Körpern. Das Mikrobiom, also die Gesamtheit dieser Mikroben, bildet zusammen mit dem Wirtslebewesen eine funktionale, symbiotische Einheit. Von der Unterstützung der Nährstoffaufnahme bis hin zum Schutz vor Krankheitserregern übernehmen Mikroorganismen lebenswichtige Aufgaben für das Wirtslebewesen. Andererseits können Störungen des Mikrobioms verschiedene schwerwiegende Krankheiten verursachen, unter anderem chronisch-entzündliche Darmerkrankungen.

In den vergangenen Jahren legten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Vielzahl sogenannter Mikrobiomstudien vor. Darin untersuchten sie insbesondere Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung und Funktion des Mikrobioms und der Krankheitsentstehung. Die meisten dieser Arbeiten konzentrierten sich vor allem auf Bakterien, deren verschiedene Arten die Zusammensetzung des Mikrobioms zahlenmäßig bei weitem dominieren. Eine bestimmte Gruppe der Mikroorganismen wurde dabei bisher wenig beachtet: die Archaeen. Obwohl sie durchschnittlich „nur“ etwa 1,2 Prozent des gesamten Darmmikrobioms ausmachen, haben Archaeen enorme regulatorische Auswirkungen auf das Mikrobiom, wie frühere Studien gezeigt haben.  

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), der Medizinischen Universität Graz und weiteren Partnerinstitutionen aus Großbritannien und Frankreich hat auf der Grundlage von umfangreichen Genomdaten aus großen Kohorten von zahlreichen globalen Standorten nun eine Charakterisierung des bislang unzureichend beschriebenen Archaeen-Vorkommens im menschlichen Darm vorgelegt. Mit dieser Bestandsaufnahme wollen die Forschenden um Professorin Ruth Schmitz-Streit aus der CAU-Mikrobiologie und ihre Grazer Kollegin Professorin Christine Moissl-Eichinger das Wissen über diese Klasse von Mikroorganismen erweitern. Dabei konnten sie bislang unbekannte Archaeen-Arten beschreiben. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kürzlichin der Fachzeitschrift Nature Microbiology.
 

Weit vielfältiger als bisher bekannt

Die neue Analyse liefert die erste umfassende Beschreibung des menschlichen Archaeoms. Das Forschungsteam bediente sich dazu Datenquellen aus zahlreichen bereits bestehenden Mikrobiomstudien, die jeweils die vollständigen genetischen Informationen der individuellen mikrobiellen Besiedlung des Darms der beteiligten Probandinnen und Probanden umfassen. „Zunächst konnten wir feststellen, dass das menschliche Archaeom weitaus vielfältiger ist, als bisher bekannt war und es darin eine Kernzusammensetzung immer gleicher Arten gibt, die bei den meisten Menschen unabhängig von äußeren Faktoren wie etwa Geografie, Geschlecht oder Alter auftritt“, betont Dr. Cynthia Chibani, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe von Schmitz-Streit. „Neben den zahlreichen neuentdeckten Arten konnten wir zudem bislang unbekannte Arten von Viren identifizieren, die Archaeen infizieren können“, so Chibani weiter.

Neben der reinen Katalogisierung der Arten suchte das Forschungsteam zudem in den genetischen Informationen der Archaeen nach Verbindungen mit bereits bekannten Mustern. Dazu untersuchten sie mehr als 28.000 sogenannte Proteincluster, die auf signifikante Zusammenhänge der Archaeen-Zusammensetzung im Darm mit soziodemografischen Merkmalen der menschlichen Probanden hindeuten. „Das Vorkommen bestimmter Arten und die von ihnen produzierten Proteine lassen sich möglicherweise nutzen, um zum Beispiel Rückschlüsse auf Altersgruppen oder Lebensstile zu ziehen“, erklärt Chibani, die die bioinformatischen Analysen ihrer neuen Arbeit gemeinsam mit ihrem Grazer Kollegen Dr. Alexander Mahnert durchführte. „Zurzeit lassen sich solche aussagekräftigen Korrelationen allerdings noch nicht zuverlässig hinsichtlich möglicher Archaeom-assoziierter Krankheitsbilder ablesen“, so Chibani weiter.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis aus der Analyse genomischer Informationen war, dass es sich bei der bisher bekannten Art Methanobrevibacter smithii tatsächlich um zwei Arten handelt: Neben M. smithii existiert zusätzlich die neu entdeckte Schwesterart Methanobrevibacter intestini. Beide sind beide sind im Darmmikrobiom weit verbreitet. Das Zusammenspiel dieser beiden eng verwandten Arten und ihre Bedeutung für die menschliche Gesundheit müssen noch entschlüsselt werden.

Bislang ist der Zusammenhang zwischen diesen methanbildenden Archaeen und Krankheiten wie Darmkrebs oder entzündlichen Darmerkrankungen nicht eindeutig geklärt, was wahrscheinlich auf die bisher fehlende Speziesauflösung zurückzuführen ist. Sicher ist, dass solche Methanogene in der Lage sind, die Aktivität pathogener Bakterien zu unterstützen, indem sie zum Beispiel hemmende Stoffwechselprodukte verbrauchen. Die nun veröffentlichte Forschungsarbeit erweitert das Verständnis des menschlichen Archaeoms und stellt einen umfangreichen Genom- und Proteinkatalog für künftige Analysen zur Verfügung.
 

Erste Ansätze für funktionelle Charakterisierung des Archaeoms

Insgesamt befindet sich die Wissenschaft bei der Identifizierung der vollständigen Diversität der Archaeen erst am Anfang. „Der nun vorgestellte Katalog von rund 1,8 Millionen Archaeen-Proteinen kann künftig als einzigartige Quelle für die Entwicklung neuartiger Forschungsfragen genutzt werden“, betont Schmitz-Streit, die gemeinsam mit den Grazer Kolleginnen und Kollegen in besonderem Maße die Archaeen-Forschung vorantreibt. „Diese künftigen Ansätze umfassen zum Beispiel die Untersuchung der Physiologie und des Stoffwechsels neu entdeckter Archaeen oder der Art ihrer Kommunikation mit dem menschlichen Wirt“, so Schmitz Streit weiter. Um die funktionalen Aspekte des Archaeoms künftig untersuchen zu können, sei die Entwicklung neuer Analysemethoden, da diese zurzeit vor allem auf bakterielle Arten zugeschnitten seien, sowie die gezielte Kultivierung von Archaeen aus dem menschlichen Darm notwendig. „Insgesamt trägt unsere Arbeit wesentlich zum Verständnis des menschlichen Mikrobioms als komplexes, vielschichtiges Netzwerk aus Bakterien, Archaeen, Pilzen und Viren bei“, fasst Moissl-Eichinger zusammen. Auf dieser Grundlage hoffen die Forschenden in vertiefenden Arbeiten die Auswirkungen der Archaeen auf die menschliche Physiologie und möglicherweise ihre Beteiligung an der Krankheitsentstehung Stück für Stück zu entschlüsseln.

Wissenschaftlicher Kontakt:

Prof. Ruth Schmitz-Streit
Molekularbiologie der Mikroorganismen,
Institut für Allgemeine Mikrobiologie, CAU
0431 880-4334
rschmitz@ifam.uni-kiel.de

Eine Wissenschaftlerin am Computer
© privat

Erstautorin Dr. Cynthia Chibani stellte gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen fest, dass das menschliche Archaeom unabhängig von äußeren Faktoren eine Kernzusammensetzung immer gleicher Arten enthält.

Eine Wissenschaftlerin im Labor
© Stefan Kolbe

CAU-Professorin Ruth Schmitz-Streit charakterisierte gemeinsam mit internationalen Kolleginnen und Kollegen das bislang unzureichend beschriebene Archaeen-Vorkommen im menschlichen Darm.

Originalarbeit:

Cynthia Maria Chibani, Alexander Mahnert, Guillaume Borrel, Alexandre Almeida, Almut Werner, Jean-François Brugère, Simonetta Gribaldo, Robert D. Finn, Ruth A. Schmitz, Christine Moissl-Eichinger (2021): A catalogue of 1,167 genomes from the human gut archaeome. Nature Microbiology First Published: 30.12.2021
DOI:10.1038/s41564-021-01020-9

Weitere Informationen:

Über Kiel Life Science (KLS)

Das interdisziplinäre Zentrum für angewandte Lebenswissenschaften – Kiel Life Science“(KLS) – vernetzt an der CAU Forschungen aus den Agrar- und Ernährungswissenschaften, den Naturwissenschaften und der Medizin. Es bildet einen von vier Forschungsschwerpunkten an der Universität Kiel und will die zellulären und molekularen Prozesse besser verstehen, mit denen Lebewesen auf Umwelteinflüsse reagieren. Im Mittelpunkt der Forschung stehen Fragen, wie sich landwirtschaftliche Nutzpflanzen an spezielle Wachstumsbedingungen anpassen oder wie im Zusammenspiel von Genen, dem individuellen Lebensstil und Umweltfaktoren Krankheiten entstehen können. Gesundheit wird dabei immer ganzheitlich im Kontext der Evolution betrachtet. Unter dem Dach des Forschungsschwerpunkts sind derzeit rund 80 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 40 Instituten und sechs Fakultäten der CAU als Vollmitglieder versammelt.

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