Nahrung kann die Vielfalt im Darm erhalten
Ein mathematisches Modell zeigt, wie aufgenommene Mikroorganismen die Vielfalt des Darmmikrobioms beeinflussen können
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Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Florence Bansept in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie hat gezeigt, wie über die Nahrung aufgenommene Mikroben zur Aufrechterhaltung der Diversität des Darmmikrobioms beitragen können. Die Studie wurde federführend von Vitor M. Marquioni verfasst und liefert einen mathematischen Rahmen, um besser zu verstehen, wie mikrobielle Bestandteile der Nahrung mikrobielle Gemeinschaften im Darm beeinflussen.
Das Darmmikrobiom spielt eine zentrale Rolle für die Physiologie von Tieren und ist an grundlegenden biochemischen Prozessen im Verdauungstrakt beteiligt. Eine geringe mikrobielle Vielfalt wird häufig mit einer schlechteren Gesundheit in Verbindung gebracht. Dass Ernährung das Darmmikrobiom über Nährstoffe beeinflusst, ist bekannt. Weniger beachtet wird bislang, dass Nahrung auch lebende Mikroorganismen enthält, von denen ein Teil den Verdauungstrakt übersteht und mit der bereits vorhandenen Darmflora interagieren kann. Daraus ergibt sich eine wichtige Frage: Lässt sich die Aufnahme von Mikroben über die Nahrung so optimieren, dass sie ein vielfältigeres und damit potenziell stabileres Darmmikrobiom unterstützt?
Um diese Frage zu untersuchen, entwickelten die Forschenden ein mathematisches Modell, das die wichtigsten Prozesse im Darm abbildet: Wachstum, Konkurrenz und Absterben von Mikroben sowie ihren Eintrag über die Nahrung und ihren Verlust über die Ausscheidung. Auf Grundlage von Daten aus der wissenschaftlichen Literatur analysierte das Team, wie diese Prozesse mit unterschiedlichen Mengen und Mustern mikrobieller Aufnahme zusammenwirken.
Zentrale Ergebnisse
- Der zeitliche Rhythmus der mikrobiellen Aufnahme hat vergleichsweise wenig Einfluss auf die durchschnittliche Diversität des Mikrobioms. Ob viele Mikroben einmal täglich oder kleinere Mengen mehrfach am Tag aufgenommen werden, macht demnach nur einen geringen Unterschied. Entscheidend ist vor allem die Gesamtmenge an Mikroben pro Tag.
- In Systemen mit mehr als nur wenigen Mikrobenarten gibt es in der Regel eine optimale tägliche Aufnahmemenge, bei der die Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft im Wirt maximiert wird.
- Diese optimale Menge nähert sich bei sehr hoher Diversität der Zahl der Mikroben an, die täglich mit dem Kot ausgeschieden werden. In diesem Fall entspricht die maximal im Wirt erreichte Diversität weitgehend der Diversität der aufgenommenen Nahrung.
Den Forschenden zufolge sind diese Ergebnisse gegenüber verschiedenen Modellvarianten robust. Auch stimmen die ermittelten Größenordnungen mit kleinen, experimentell gut untersuchbaren Tiermodellen wie der Fruchtfliege Drosophila oder dem Fadenwurm C. elegans überein.
Übertragbarkeit auf den Menschen
Für eine direkte Übertragung auf den Menschen sind jedoch weitere Modellerweiterungen notwendig, da die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikroben dort deutlich komplexer sind. Dennoch markiert die Arbeit einen wichtigen ersten Schritt hin zu einem besseren quantitativen Verständnis darüber, wie mikrobielle Bestandteile von Nahrung künftig möglicherweise gezielt genutzt werden könnten, um das Darmmikrobiom auf nicht-invasive Weise zu unterstützen.
Mit dieser Studie leistet die International Partner Group von Florence Bansept am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der ökologischen Prinzipien, die mikrobiellen Gemeinschaften in Wirtsorganismen zugrunde liegen — und damit auch zu möglichen künftigen Anwendungen in Ernährung und Therapie.
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