Neue Studie entdeckt Biomarker in der menschlichen Darmflora

Ein internationales Forschungsteam hat in einer aktuellen Studie einen bisher wenig erforschten Teil der menschlichen Darmflora untersucht und dabei eine interessante Entdeckung gemacht. Es besteht die Möglichkeit, dass eine bestimmte Gensequenz, die in der Darmflora von mehr als 90 Prozent der Menschen in Industrienationen vorhanden ist, zu einem Biomarker wird. Das sogenannte Plasmid könnte genutzt werden, um beispielsweise fäkale Verunreinigungen aufzuspüren oder den Verlauf entzündlicher Darmerkrankungen zu überwachen. Die Ergebnisse der Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht.

Plasmide sind winzige genetische Strukturen, die unabhängig von den Chromosomen existieren und oft in Bakterienzellen vorkommen. Sie können die Lebensweise der Mikroorganismen beeinflussen. Bisher gibt es nur begrenztes Verständnis für die Vielfalt von Plasmiden in der natürlichen Umgebung.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie berichtete ein internationales Forschungsteam um Prof. Dr. A. Murat Eren vom Helmholtz-Institut für Funktionelle Marine Biodiversität an der Universität Oldenburg (HIFMB), dass ein spezifisches Plasmid eines der am häufigsten vorkommenden genetischen Elemente im menschlichen Darm ist. Dieses Plasmid könnte als Biomarker dienen, zum Beispiel zur Identifizierung von Gesundheitsrisiken wie fäkale Verunreinigungen von Gewässern oder zur Beobachtung von Dickdarmentzündungen.

Das Forschungsteam entdeckte, dass das Plasmid im Darm von über 90 Prozent der Menschen in Industrienationen vorhanden ist. Plasmide sind DNA-Abschnitte, die außerhalb der Chromosomen in Zellen aller Organismen vorkommen. Wie Eren erklärt, handelt es sich bei Plasmiden in der Regel um zusätzliche, kleine Genome. Sie können sowohl zwischen verschiedenen Bakterienzellen als auch zwischen verschiedenen Bakterienarten ausgetauscht werden. Plasmide benötigen für ihre Vermehrung die Unterstützung von Wirtszellen, von denen sie gelegentlich Vorteile erlangen können. Laut Eren tragen einige Plasmide dazu bei, dass ihre bakteriellen Wirte eine Antibiotikabehandlung überleben können, was zu einer Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beiträgt – einem der größten medizinischen Probleme weltweit. Andere Plasmide hingegen haben nach bisherigem Wissen keine Gene, die eine nützliche Funktion für ihren Wirt haben. Häufig werden diese genetischen Strukturen, die als „kryptische Plasmide“ bekannt sind, als genetische Parasiten bezeichnet.

Bislang stellte die Identifizierung von Plasmiden eine Herausforderung dar, da sie ein Rätsel für die mikrobielle Ökologie bleiben und aus evolutionärer Sicht eigentlich gar nicht existieren sollten. Es ist seit einiger Zeit möglich, genetisches Material direkt aus Umweltproben zu isolieren, um beispielsweise die gesamte Mikrobengemeinschaft im menschlichen Darm zu analysieren, ohne dass eine Kultivierung der Mikroorganismen erforderlich ist. Jedoch stellte es sich als schwierig heraus, Plasmide in diesem genetischen Gemisch, bekannt als Metagenom, zuverlässig zu identifizieren.

Um die Herausforderung zu bewältigen, hat das Team um Prof. Dr. Eren einen innovativen Ansatz entwickelt, der auf maschinellem Lernen basiert. In einer aktuellen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift „Nature Microbiology“ berichtete das Team kürzlich über die Identifizierung von insgesamt 68.000 Plasmiden in der Darmflora des Menschen. Dabei bemerkten sie, dass ein spezifisches, als pBI143 bezeichnetes kryptisches Plasmid besonders häufig vorkam. In der veröffentlichten Studie in der Zeitschrift „Cell“ untersuchte das Team das Plasmid genauer und stellte überraschenderweise fest, dass es nur aus zwei Genen besteht. Ein Gen ist für die Vermehrung des Plasmids selbst verantwortlich, während das andere Gen den Transfer in andere Bakterienzellen ermöglicht. Es gibt keine offensichtlichen Vorteile oder Nutzen.

Das Forschungsteam analysierte insgesamt 100.000 Metagenome, um die Ökologie von pBI143 genauer zu erforschen. Dabei wurden 60.000 Proben aus dem menschlichen Darm und 40.000 aus verschiedenen natürlichen Umgebungen verwendet. Es wurde festgestellt, dass pBI143 bei über 90 Prozent der Menschen in Industrieländern vorhanden ist und zu den am häufigsten vorkommenden genetischen Elementen im menschlichen Darm gehört. Interessanterweise wurde es im Durchschnitt über zehnmal häufiger gefunden als ein bisher als häufigstes genetisches Element außerhalb der Chromosomen im menschlichen Darm geltendes Virengenom.

Weitere Untersuchungen ergaben, dass das Plasmid nahezu ausschließlich im menschlichen Darm vorhanden ist und nicht in anderen Umgebungen wie dem Meer, Böden, Pflanzen, den Verdauungsorganen von Tieren oder deren Ausscheidungen nachgewiesen werden konnte. Die charakteristische Gensequenz wurde jedoch auch in Proben gefunden, die von vom Menschen beeinflussten Orten stammen, wie beispielsweise Abwasser, Oberflächen in Krankenhäusern oder bei Laborratten. Aufgrund dieser Eigenschaften kam das Forschungsteam auf die Vermutung, dass pBI143 als Biomarker fungieren könnte, beispielsweise als Indikator für fäkale Verunreinigungen.

Die herkömmlichen Verfahren zur Identifizierung von Verunreinigungen im Trinkwasser basieren auf der Amplifikation spezifischer Gensequenzen von menschlichen Darmbakterien. Das Forschungsteam konnte jedoch nachweisen, dass das Plasmid pBI143 als Marker für Verunreinigungen im Trinkwasser empfindlicher ist als die derzeit verwendeten Standardverfahren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Überwachung der Wasserqualität.

Ein weiteres Anwendungsfeld sieht das Forschungsteam in Bezug auf entzündliche Darmerkrankungen, welche ein medizinisches Problem darstellen und in Europa allein drei Millionen Menschen betreffen. Die Forscher konnten nachweisen, dass Menschen mit chronischen Darmentzündungen im Metagenom fast viermal so viele Kopien des Plasmids aufweisen wie gesunde Personen. Dies lässt darauf schließen, dass dieser Wert möglicherweise verwendet werden kann, um den Verlauf oder die Schwere der Krankheit auf nicht-invasive Weise zu überwachen.

Prof. Dr. Eren und sein Team am HIFMB arbeiten daran, an der Verbindung von Informatik und Mikrobiologie neue Tools zu entwickeln. Diese sollen dazu dienen, natürlich vorkommende Plasmide und andere mobile genetische Elemente in den Bakterien, die im Ozean leben, zu erkennen und zu analysieren. Das Hauptanliegen besteht darin, ein besseres Verständnis für die Ökologie und Evolution von Mikroorganismen zu erlangen und zu ergründen, wie sie es schaffen, sich an sich ständig verändernde Umweltbedingungen anzupassen. Basierend darauf beabsichtigen die Forscher, neue biotechnologische Anwendungen zu entwickeln und damit zur Bewältigung aktueller Herausforderungen beizutragen.

Schlagwörter: Cell + pBI143 + Oldenburg

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