Studie:Interaktionen von Mikroben im Magen-Darm-System haben große Auswirkungen auf die Gesundheit

Die Interaktionen zwischen den im Magen-Darm-System lebenden Mikrobenarten haben oft große und unvorhersehbare Auswirkungen auf die Gesundheit, nach neuen Arbeiten eines Teams unter der Leitung von Will Ludington von Carnegie. Ihre Ergebnisse werden diese Woche in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences .

Das Darmmikrobiom ist ein Ökosystem aus Hunderten bis Tausenden von Mikrobenarten, die im menschlichen Körper leben. Die schiere Vielfalt im menschlichen Darm stellt eine Herausforderung dar, die Auswirkungen dieser Gemeinschaften auf unsere Gesundheit zu katalogisieren und zu verstehen.

Biologen interessieren sich vor allem dafür, ob das Mikrobiom als Ganzes mehr ist als die Summe seiner Teile. Mit anderen Worten, inwieweit beeinflussen einzelne Arten unsere Gesundheit und Physiologie, und inwieweit werden diese Auswirkungen durch Interaktionen zwischen den in unserem Mikrobiom vorkommenden Arten bestimmt?

Ludington und sein Team – darunter die Molekularbiologin Alison Gould, Vivian Zhang, und Benjamin Obadia von der University of California Berkeley; Physiker Eric Jones und Jean Carlson von der University of California Santa Barbara; und Mathematiker Lisa Lamberti, Nikolaos Korasidis, und Niko Beerenwinkel von der ETH Zürich und Alex Gavryushkin von der University of Otago – nutzten das natürlich einfache Mikrobiom der Fruchtfliege, um das Darm-Ökosystem umfassend aufzudecken. Das Team fand heraus, dass die Wechselwirkungen zwischen den Arten im Darmmikrobiom die Gesundheit und sogar die Langlebigkeit von Fliegen beeinflussen.

„Die klassische Art und Weise, wie wir Bakterienarten betrachten, ist in einem Schwarz-Weiß-Kontext als Krankheitserreger – entweder haben Sie es, oder du tust es nicht, “ sagte Ludington. „Unsere Arbeit zeigt, dass dies für das Mikrobiom nicht der Fall ist. Die Auswirkungen einer bestimmten Art hängen davon ab, in welchem ​​Kontext auch andere Arten vorkommen."

Aus Fruchtfliegenstudien ist seit langem bekannt, dass Populationen von Darmbakterien die Entwicklung ihres Wirts beeinflussen können. Fruchtbarkeit, und Langlebigkeit. 1927, Helen Steinfeld von der UC Berkeley fand heraus, dass durch einfaches Entfernen der Darmbakterien aus den Fruchtfliegen ihres Labors, sie konnte ihre Lebensdauer um 14 Prozent verlängern.

Ludingtons Team wiederholte das Experiment und fand eine ähnliche Verlängerung der Lebensdauer um 23 Prozent, als sie die speziellen Mikrobiome ihrer Fliegen entfernten. Es war ihnen jedoch unklar, wie viel dieser Einfluss auf die einzelnen vorhandenen Arten und wie viel auf ihre mikrobielle Gesamtökologie zurückzuführen war.

Ludington und sein Team bauten auf Steinfelds Arbeit auf, um das Darmmikrobiom von Fruchtfliegen zu sezieren und besser zu verstehen, wie diese Mikroorganismen das Leben ihrer Insektenwirte prägen.

Sie entwickelten ein System zur Kartierung aller möglichen Wechselwirkungen zwischen den fünf im Fliegendarm vorkommenden Bakterienarten, um zu sehen, wie sie die Entwicklung eines Insekts beeinflussten. Produktion von Nachkommen, und Lebensdauer, die kombinieren, um seine Fitness zu bestimmen. Die Analyse der Wechselwirkungen erforderte die Entwicklung neuer mathematischer Ansätze, die auf der Geometrie eines fünfdimensionalen Würfels basieren, wo jede Art eine neue Dimension ist.

Das Team stellte fest, dass die Interaktionen zwischen den mikrobiellen Populationen für die Physiologie der Fliege ebenso wichtig sind wie die einzelnen Arten. Bezogen auf die 23-prozentige Veränderung der Lebensdauer, einzelne Arten können nur ein Viertel der Wirkung ausmachen, während Interaktionen den Rest ausmachen. Diese Interaktionen sind für einige sehr einflussreich, aber nicht alles, der Faktoren, die die Wahrscheinlichkeit einer Fliege bestimmen, ihr genetisches Material an eine neue Generation weiterzugeben.

„Als wir die gesamte Fitness einer Fliege untersuchten – ihre Überlebenschancen und die Zeugung von Nachkommen – stellten wir fest, dass es einen Kompromiss gab zwischen einer kurzen Lebensdauer mit vielen Nachkommen, im Gegensatz zu einer langen Lebensdauer mit wenigen Nachkommen, " Ludington erklärte. "Dieser Kompromiss wurde durch Mikrobiom-Interaktionen vermittelt. Das heißt, wenn wir verstehen wollen, wie sich das Mikrobiom auf unsere Gesundheit auswirkt, wir müssen ein prädiktives Verständnis dafür entwickeln, wie Kombinationen von Bakterien den Wirt beeinflussen, nicht nur die einzelnen Arten."

Zusätzlich, die für dieses Forschungsprojekt entwickelten Mess- und Analysewerkzeuge zeigen, dass die Fruchtfliege ein gutes Modell zum Verständnis komplexerer Mikrobiom-Interaktionen bei Mensch und Tier ist, was für die zukünftige Arbeit wichtig sein wird.

• Neue Methode könnte zu einem besseren Verständnis komplexer Interaktionen zwischen menschlichen Darmmikroben führen
• Ethnizität kann ein zuverlässiger Indikator für die Vielfalt der Darmmikrobiota sein