Eine Nase für Mikroben: Wie der Hunger das Gehirn steuert
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Neue Forschungsergebnisse der Champalimaud-Stiftung (CF) zeigen, wie das Fehlen einer einzigen essenziellen Aminosäure die Genexpression und die sensorischen Systeme des Gehirns verändern kann, was die Tiere dazu veranlasst, nach proteinreichen Hefen und Darmbakterien zu suchen, die ihnen helfen, das Ernährungsgleichgewicht wiederherzustellen und in Notzeiten zu überleben.
Käse und Schokolade mögen für eine Fruchtfliege kulinarisch wenig reizvoll sein, doch für eine nährstoffarme Fliege verbirgt sich in ihrem Aroma ein wichtiger Hinweis.
Carla Emilie Pereira
Fermentierte Anhaltspunkte
Käse und Schokolade mögen den Gaumen einer Fruchtfliege nicht verführen, aber für eine hungrige Fliege, die unter Nährstoffmangel leidet, ist ihr Geruch ein verstecktes Signal. Wenn diesen winzigen Insekten bestimmte Aminosäuren - die Bausteine von Proteinen - vorenthalten werden, entwickeln sie einen erstaunlich feinen Geruchssinn, der ihnen nicht nur hilft, Nahrung aufzuspüren, sondern auch bestimmte Bakterien, die in fermentierten Lebensmitteln leben.
Seit Jahren wissen Wissenschaftler, dass Tiere spüren können, wenn ihnen bestimmte Nährstoffe fehlen, und dass sie aktiv nach Nahrungsmitteln suchen, um dies auszugleichen. Unklar blieb jedoch, wie das Gehirn dieses innere Bedürfnis nach Nahrung in einen Verhaltenstrieb umsetzt - wie ein physiologisches "Bedürfnis" zu einem sensorischen "Wunsch" wird. Mit dieser Frage beschäftigten sich die Forscher im CF-Labor für Verhalten und Stoffwechsel unter der Leitung von Carlos Ribeiro, dem Hauptautor der Studie.
Eine Geschichte von zwei Genen
Tiere, einschließlich Menschen, können nicht alle Aminosäuren, die sie benötigen, selbst herstellen. Diese so genannten essenziellen Aminosäuren (oder eAAs) müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Fehlt auch nur eine, ändert sich die innere Chemie des Körpers dramatisch - die Proteinsynthese gerät ins Stocken, der Stoffwechsel verlangsamt sich, und das Gehirn entwickelt einen besonderen Appetit auf proteinreiche Nahrung.
Bei Fruchtfliegen ist dieses Verhalten leicht zu beobachten: Entfernt man eine einzige essenzielle Aminosäure aus ihrer Nahrung, beginnen sie, Hefe, ihre primäre Proteinquelle, aufzusuchen. Ribeiros Team wollte jedoch wissen, was im Gehirn vor sich geht, um diese Veränderung herbeizuführen.
Unter Verwendung synthetischer Futtermittel, denen jeweils eine der zehn essenziellen Aminosäuren fehlte, sequenzierten die Forscher die RNA (Ribonukleinsäure) aus den Köpfen von Fliegen, die elf verschiedenen Bedingungen ausgesetzt waren - zehn Futtermittel mit Aminosäuremangel und ein völlig ausgewogenes Kontrollfutter. So konnten sie verfolgen, wie sich die Expression von Tausenden von Genen veränderte, je nachdem, welche Aminosäure fehlte.
"Während das Verhalten der Fliegen bei allen Aminosäuremangelzuständen ähnlich war und sie einen erhöhten Futtertrieb zeigten, hatte jeder Mangel seinen eigenen 'Fingerabdruck' in Bezug auf die Genexpression", sagt Gili Ezra-Nevo, die Erstautorin der Studie. "Aber trotz dieser Unterschiede veränderten sich einige Gene auf die gleiche Weise, unabhängig davon, welche Aminosäure fehlte".
Unter diesen gemeinsamen Veränderungen stach ein Muster hervor: Zwei Geruchsrezeptorgene, die beide am Geruch beteiligt sind, wurden als Reaktion auf den Aminosäuremangel durchweg hochreguliert. Diese Gene - Or92a und Ir76a - wurden zum Schlüssel für das Verständnis der Feinabstimmung des Geruchssinns der Fliegen auf ihre Bedürfnisse.
Die Hefeverbindung: Wie Geruch den Geschmack prägt
Vom ersten Rezeptor, Or92a, war bereits bekannt, dass er auf Diacetyl reagiert - ein Molekül, das Popcorn mit Buttergeschmack sein unverwechselbares Aroma verleiht und zum Geruch von Wein und Bier beiträgt. Hefe produziert Diacetyl während der Gärung, und da Hefe alle essenziellen Aminosäuren enthält, liegt es nahe, dass dieser Geruch besonders attraktiv ist, wenn die Fliegen unter Proteinmangel leiden.
Als die Forscher Fliegen testeten, denen Or92a fehlte, konnten die Insekten die Hefe immer noch orten, ernährten sich aber weniger von ihr. "Sie konnten zwar riechen, wo sie war, aber sie schmeckte ihnen nicht so gut", erklärt Ezra-Nevo. "Das liegt daran, dass der Geruchssinn nicht nur für das Auffinden von Nahrung zuständig ist, sondern auch für den Geschmack und die Bewertung der Schmackhaftigkeit".
Das Team ging noch einen Schritt weiter und verwendete einen mutierten Hefestamm, der kein Diacetyl produzierte. Das Ergebnis war dasselbe: Die Fliegen waren weniger geneigt, zu fressen. Durch den Verlust dieses wichtigen Geruchssignals war ihr Geschmackssinn gestört, so dass die Nahrung weniger attraktiv war. So wie Menschen den Appetit oder die Freude am Essen verlieren, wenn sie eine verstopfte Nase haben, sind Fliegen auf ein enges Zusammenspiel zwischen Geruch und Geschmack angewiesen, um die Nahrungsaufnahme zu steuern.
"Schokoladenneuronen" im Gehirn?
Der zweite Rezeptor, Ir76a, erwies sich als noch rätselhafter. Bei der Suche in der mikrobiologischen und lebensmittelwissenschaftlichen Literatur entdeckten die Forscher, dass fermentierte Lebensmittel wie Käse und Schokolade eine Verbindung namens PEA freisetzen, die Ir76a aktiviert.
Tests zeigten, dass die Geruchsneuronen der Fliegen stark auf den Geruch von Schokolade, nicht aber auf Käse reagierten. Hatten sie "Schokoladenneuronen" im Gehirn gefunden? Nicht ganz. Da Fliegen sich normalerweise weder von Schokolade noch von Käse ernähren, ging das Team der Sache auf den Grund: Beide Lebensmittel werden von Lactobacillus- und Acetobacter-Bakterien fermentiert, die ebenfalls die gleiche Verbindung produzieren.
"Da hat es Klick gemacht", sagt Sílvia Henriques, die Erstautorin der Studie. "Die Fliegen wurden nicht von der Schokolade selbst angezogen - sie reagierten auf die Bakterien, die in diesen Lebensmitteln wachsen. Und diese Bakterien sind auch natürliche Bewohner des Mikrobioms der Fliegen".
Als die Forscher die Fliegen lebenden Lactobacillus- und Acetobacter-Bakterien aussetzten, reagierten die Ir76a-Neuronen sogar noch stärker. Verhaltensexperimente bestätigten den Zusammenhang: Fliegen, denen Aminosäure entzogen wurde, nahmen aktiv mehr Bakterien zu sich - aber nur, wenn die Bakterien lebendig und metabolisch aktiv waren. Tote Bakterien lösten keine Nahrungsaufnahme mehr aus. Mit anderen Worten: Die Fliegen suchten die Bakterien wegen ihres metabolischen Nutzens auf.
Und als das Team den Ir76a-Rezeptor ausschaltete, verloren die Fliegen ihr Interesse völlig, selbst wenn sie keine Nährstoffe mehr hatten. "Dies war das überraschendste Ergebnis", sagt Ezra-Nevo. "Es zeigte, dass der Geruchssinn der Fliegen buchstäblich auf das Aufspüren von Bakterien eingestellt war und dass diese Einstellung von ihrem inneren Ernährungszustand abhing. Der Mangel an Aminosäuren veränderte nicht nur die neuronale Aktivität, sondern auch die Art der Rezeptoren, die überhaupt gebildet werden.
Mikrobielle Verbündete in Fliegen - und in uns
Warum sollte eine Fliege nach Bakterien suchen, wenn Aminosäuren knapp sind? Frühere Forschungen hatten gezeigt, dass die Fütterung mit bestimmten Bakterien die Eiproduktion bei Fliegen mit Aminosäuremangel verbessert. Andere Studien haben gezeigt, dass das Darmmikrobiom die Aminosäureaufnahme unter nährstoffarmen Bedingungen verbessern kann, indem es Enzyme produziert, die Proteine effizienter abbauen.
"Indem sie ihrem Gespür für Bakterien folgen, scheinen sich die Fliegen dazu entwickelt zu haben, Mikroben als Verbündete zu nutzen und sich Partner zu suchen, die ihre Überlebenschancen bei Aminosäuremangel erhöhen", sagt Henriques.
Die Parallelen zum Menschen sind verblüffend. Viele traditionelle Ernährungsweisen enthalten fermentierte Lebensmittel - von Kimchi über Joghurt bis hin zu Kefir -, die seit langem wegen ihrer konservierenden Eigenschaften geschätzt werden, doch ein unterschätzter Teil ihrer Anziehungskraft könnte darin bestehen, dass sie nützliche Bakterien beherbergen, die die Verdauung und Nährstoffaufnahme fördern.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unser Appetit auf fermentierte Lebensmittel zum Teil auf eine uralte biologische Logik zurückzuführen sein könnte. Wenn Nährstoffe knapp sind, scheint der Körper seine sensorischen Systeme so einzustellen, dass er das findet, was er braucht - manchmal, indem er eher Mikroben als Makronährstoffe erkennt.
Sinnesorgane im Wandel
Diese Studie berührt eine umfassendere Frage in der Biologie: Wie interne physiologische Zustände Wahrnehmung und Verhalten formen. Der Gedanke, dass Hunger die sensorische Verarbeitung und die neuronale Aktivität verändern kann, ist nicht neu, aber diese Forschung geht noch weiter: Sie zeigt, dass bestimmte sensorische Rezeptoren bei mehrfachem Nahrungsentzug auf molekularer Ebene umprogrammiert werden, um die Fitness zu verbessern.
Mit anderen Worten: Die Gehirne der Fliegen interpretieren nicht nur den Hunger - sie verändern auch die Art und Weise, wie sie die Welt wahrnehmen, um ihm zu begegnen. Obwohl wir die Sinne oft als feststehend betrachten, sind sie in Wirklichkeit bemerkenswert dynamisch. Die Studie des Ribeiro-Labors zeigt, dass Fliegen, denen essenzielle Aminosäuren fehlen, Veränderungen in der Genexpression erfahren, die ihnen helfen, Nahrungsmittel - oder Mikroben - zu erkennen, die dieses Defizit ausgleichen und ihnen helfen, sich an ernährungsbedingte Herausforderungen anzupassen. Dies ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie eng Stoffwechsel, Gehirn und Verhalten miteinander verwoben sein können.
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