Die Entwicklung der Darmbakterien besser kennenlernen
«Wir sind daran gewöhnt, uns die Evolution als einen sehr langsamen Prozess vorzustellen, und das ist bei grossen Säugetieren usw. definitiv der Fall», sagt Professor Anne-Florence Bitbol von der EPFL-Fakultät für Life Sciences, «aber Viren entwickeln sich ziemlich schnell, wie die rasche Abfolge der COVID-19-Varianten zeigt. Bakterien entwickeln sich in mittleren Zeiträumen, und die in unserem Darm vorkommenden Bakterien können sich in für uns relevanten Zeiträumen entwickeln.»
Die Mutation und Evolution von Darmbakterien kann erhebliche Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit haben; ein offensichtliches Beispiel ist die Antibiotikaresistenz. Folglich wurde viel geforscht, um die Faktoren herauszufinden, die die Evolution der Darmbakterien beeinflussen, und einige Studien haben auf die tatsächliche Struktur des Darms hingewiesen, einschliesslich seiner hydrodynamischen Strömung, die unterschiedliche Gradienten von Nahrungs- und Bakterienkonzentrationen über seine Länge verursacht.
Ein neues Modell des Darms
In Zusammenarbeit mit Darka Labavić und Claude Loverdo von der Universität Sorbonne hat Bitbol nun ein «Minimalmodell» der bakteriellen Mutation und Evolution im Darm entwickelt, das einige wichtige Erkenntnisse darüber liefert, wie der innere Fluss des Darms die Verteilung des Genpools beeinflusst. Die Studie wurde in PNAS veröffentlicht.
«Unser Modell zeigt, dass die spezifische räumliche Struktur des Darms mit Hydrodynamik und Konzentrationsgradienten die Wahrscheinlichkeit erheblich erhöhen kann, dass neutrale Mutanten hohe Anteile erreichen und schliesslich die Population übernehmen», sagt Bitbol. Bei diesen neutralen Mutanten handelt es sich um Bakterien, die Mutationen durchlaufen, die sich nicht auf die Wachstumsrate auswirken, oder deren Auswirkungen im Kontext einer gesamten Bakterienpopulation zumindest vernachlässigbar sind.
«Da die Umgebung des Darms den erwarteten durchschnittlichen Anteil neutraler Mutanten stark erhöht, erhöht sich auch ihre Fähigkeit, die Population letztlich zu übernehmen, im Vergleich zu einer gut gemischten Standardpopulation», sagt Bitbol. «Die spezifische Umgebung des Darms fördert also die neutrale bakterielle Vielfalt.»
Neutrale Mutationen bei Darmgesundheit und Krankheit
Aber was bedeutet eine Prävalenz neutraler Mutanten im Darm? «Es bedeutet, dass ein grösserer Anteil von Mutanten, die zufällig auftreten, wichtige Fraktionen erreichen kann, anstatt schnell auszusterben», erklärt Bitbol. «Dies kann die Vielfalt der Darmmikrobiota sowie ihre Fähigkeit zur Anpassung an Umweltveränderungen erhöhen. Und da die Zusammensetzung der Darmmikrobiota den Stoffwechsel beeinflussen kann, könnte dies indirekte Auswirkungen auf den Stoffwechsel haben.»
Und die Ergebnisse können auch Auswirkungen auf die Behandlung von Stoffwechselkrankheiten wie entzündlichen Darmerkrankungen haben. «Ein wichtiger Punkt ist, dass die von uns vorhergesagte Zunahme der Vielfalt und Anpassungsfähigkeit stark mit dem Vorhandensein starker Gradienten von Nahrungs- und Bakterienkonzentrationen im Dickdarm zusammenhängt», sagt Bitbol. «Die Bakterienkonzentrationen sind im Dünndarm viel niedriger als im Dickdarm, so dass es am Eingang des Dickdarms viel Nahrung und weniger Bakterien gibt.»
«Aber weiter unten im Darm haben die Bakterien die Nahrung gefressen und sich vermehrt, so dass es weniger Nahrung, aber mehr Bakterien gibt. Wenn diese Gradienten schwächer sind, dann wird auch die von unserem Modell vorhergesagte Zunahme der Vielfalt schwächer. Dies kann passieren, wenn sich die Fliessgeschwindigkeit im Darm ändert oder wenn die Kontraktionen der Darmmuskulatur stärker oder schwächer werden. Es könnte also eine Verbindung zu Stoffwechselstörungen wie entzündlichen Darmerkrankungen bestehen. Das Verständnis dieser Auswirkungen könnte ein erster Schritt sein, um zu lernen, wie man sie verändern kann, um solche Erkrankungen zu verbessern.»
Nächste Schritte
Bitbol plant bereits, diese Studie fortzusetzen, um weitere Fragen zu beantworten: «Bisher haben wir der Einfachheit halber mit neutralen Mutanten gearbeitet, aber die Untersuchung von nützlichen Mutanten – solchen, die die Wachstumsrate erhöhen – und schädlichen Mutanten – solchen, die die Wachstumsrate verringern – wäre äusserst interessant und würde ein vollständigeres Bild der Auswirkungen der räumlichen Struktur des Darms auf die Evolution der Darmbakterien ergeben. Es gibt auch noch viel zu tun, um das Modell schrittweise realistischer zu machen.»
