Wie unsere Nahrung uns die Kontrolle über Darmbakterien kosten könnte

Wie unsere Nahrung uns die Kontrolle über Darmbakterien kosten könnte
Bildquelle: flickr

Wissenschaftler haben entdeckt, dass die Wirte ihre mikrobiellen Bewohner an Nährstoffen hungern lassen, was die Mikroben in unserem Bauch zwingt, unser Gebot abzugeben.

Jeder von uns ist nur halb Mensch. Die andere Hälfte ist mikrobiell. Billionen von Viren, Pilzen, Bakterien und anderen mikroskopisch kleinen Organismen beschichten unsere Haut und verkleiden unsere lebenswichtigen Organe. Wir sind auf diese mikrobiellen Gemeinschaften angewiesen, um Nahrung zu verdauen, Vitamine zu synthetisieren, das Immunsystem zu stärken und sogar die psychische Gesundheit zu erhalten.

Die neuen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die moderne Ernährung und der übermäßige Gebrauch von Antibiotika unsere Position als wohlwollende Herrscher untergraben und die Chancen für die Mikroben setzen könnten.

Nährparadies

"Es scheint eine natürliche Hackordnung für die Bakterien und uns zu geben", sagt Lawrence A. David, Assistant Professor für Molekulargenetik und Mikrobiologie an der Duke University School of Medicine. „In gewisser Weise ist es nicht überraschend, dass wir als Gastgeber mehr Karten halten.“

Pro Gramm leben mehr Bakterien im Darm als in jedem anderen Ökosystem der Welt.

David sagt jedoch, dass der vorherrschende Blick auf das Mikrobiom, insbesondere im Darm, von einem nährstoffreichen Paradies ist, "in dem reichlich Nahrung und Ressourcen strömen, wie in Willy Wonkas Schokoladenfabrik." Pro Gramm leben mehr Bakterien in der gut als in jedem anderen Ökosystem der Welt.

Insgesamt wiegen diese Darmmikroben bei einem Menschen etwa drei Pfund, etwa so viel wie Leber oder Gehirn. Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele Wissenschaftler glauben, dass diese Mikroben so reichlich sind, weil der Darm eine einzigartig gastfreundliche Umgebung ist.

In letzter Zeit haben jedoch einige Forscher diese Theorie in Frage gestellt, darunter Aspen Reese, ein Doktorand in Davids Labor, der kürzlich zum Hauptforscher an der Harvard University wechselte.

Alle Arten von Kacken

Als ausgebildeter Ökologe wusste Reese, dass praktisch jedes andere Ökosystem der Welt Mitglieder hat, die um Ressourcen kämpfen. Warum sollte der Bauch anders sein? Nährstoffe wie Stickstoff oder Phosphor hemmen oft Bakterien in Bächen oder Seen. Reese fragte sich, ob Stickstoff auch eine begrenzte Ressource im Darm war.

Sie entschied sich für die Messung des Stickstoffgehalts im Darmmikrobiom. Weil Darmmikroben im Kot leben, bedeutete dies das Sammeln von Stuhlproben. Mit der Hilfe von Kollegen, insbesondere von Rob Pringle an der Princeton University, gelang es Reese, über 30 verschiedene Arten von Säugetieren, darunter wilde Zebras, Giraffen und Elefanten, aus Kenia zu beziehen. Hausschafe, Rinder und Pferde aus New Jersey; und Menschen aus North Carolina.

Sie mahlte die Proben auf und zählte die Anzahl der Stickstoff- und Kohlenstoffatome, die den Mikroben zur Verfügung standen.

"Die Bakterien sind einzelne Organismen, die nur versuchen, durchzukommen - und es gibt nur so viel Nahrung, um herumzugehen."

Reese fand heraus, dass die Mikroben im menschlichen Darm durchschnittlich nur ein Stickstoffatom pro zehn Kohlenstoffatome hatten, während die meisten frei lebenden Mikroben eine Diät genießen, die aus einem Stickstoff und vier Kohlenstoffen besteht.

Um zu verifizieren, dass der Stickstoffspiegel das Mikrobiom tatsächlich in Schach halten könnte, fütterte Reese Mäuse außerdem mit einer proteinreichen Diät, die von Natur aus viel Stickstoff enthält. Als sie die Proteinmenge erhöhte, verzehnfachte sich die Anzahl der Bakterien im Darm der Mäuse.

Ich versuche nur, durchzukommen

Als sie Stickstoff in den Blutkreislauf von Mäusen injizierte, endete ein Teil dieses Stickstoffs in den Darmbakterien, was darauf hindeutet, dass der Wirt Stickstoff durch die Zellen seines Darms absondern kann, um Mikroben vor dem Hungern zu retten. Die Ergebnisse erscheinen in Natur Mikrobiologie.

"Unsere Ergebnisse stützen die Idee, dass wir einen Weg gefunden haben, unsere Bakterien an der Leine zu halten, indem wir sie nach Stickstoff hungern lassen", sagt David. „Es erklärt auch, warum die westliche Ernährung für uns schlecht sein könnte. Wenn die Menschen zu viel Protein essen, überfordert sie die Fähigkeit des Wirts, diesen Stickstoff im Dünndarm aufzunehmen, und mehr davon gelangt schließlich in den Dickdarm, wodurch unsere Fähigkeit zur Kontrolle unserer mikrobiellen Gemeinschaften aufgehoben wird. “

Die Situation ist analog zu dem, was Ökologen Eutrophierung nennen, ein Phänomen, das hervorgerufen wird, wenn Dünger in Teiche oder Seen läuft, die Stickstoff- oder Phosphorkonzentration des Wassers erhöht und das übermäßige Algenwachstum oder die Algenblüte stimuliert werden.

"Es ist leichter vorstellbar, dass der Darm weniger" rot im Zahn und Klauen "ist als andere Teile der Natur, weil die Mikrobiota für den Menschen so vorteilhaft sein kann", sagt Reese, ein Junior Fellow der Harvard Society of Fellows . "Aber die Bakterien sind einzelne Organismen, die nur versuchen, durchzukommen - und es gibt nur so viel Nahrung, um herumzugehen."

Was ist die richtige Nummer?

Wenn die Theorie der Ansicht ist, dass menschliche Wirte die Kontrolle über unsere mikrobiellen Untergebenen verlieren, könnte es den Anschein haben, dass die Verwendung von Antibiotika zum Auslöschen ganzer Populationen von Mikroben eine großartige Möglichkeit wäre, ihnen zu zeigen, wer der Boss ist. Eine andere Studie von Reese und David deutet jedoch darauf hin, dass die Taktik schlecht beraten wird.

Das Team gab 10-Mäusen eine fünftägige Behandlung mit oralen Antibiotika und analysierte täglich ihre Stuhlproben. Ihre Ergebnisse wurden im Juni in veröffentlicht eLifezeigten, dass viele der Energiequellen, auf die sich Mikroben stützen, wie die Chemikalien Nitrat oder Sulfat, anfingen, sich zu akkumulieren, als die Mikroben erschöpft waren.

„Wir haben nicht wirklich ein Gefühl dafür, was die„ richtige “Anzahl von Bakterien im Darm ist. Sicher ist Null zu wenig, und es wäre zu viele, nur Bakterien zu haben. “

Kurz nach dem Antibiotika-Verlauf kehrte die chemische Umgebung im Darm von Mäusen in den Status quo zurück, und die Mikroben begannen wieder zu gedeihen.

„Wir haben nicht wirklich ein Gefühl dafür, wie viele Bakterien im Darm„ richtig “sind“, sagt Reese. "Null ist sicherlich zu wenig und es wäre zu viel, nur Bakterien zu haben."

David fügt hinzu, dass viele der mehr als tausend Arten von Darmbakterien, die von Antibiotika ausgelöscht werden, wahrscheinlich niemals zurückkommen werden. In ihren Experimenten stellte sein Team fest, dass die Mikroben nur so in den Bauch der Mäuse zurückkehren konnten, dass sie die Mäuse so machen ließen, wie sie es normalerweise tun, nämlich sich gegenseitig den Stuhl zu fressen. "Die Leute wollen das wahrscheinlich nicht", sagt er.

Viele Studien haben gezeigt, dass die Mikrobiome der Menschen nach einer Antibiotika-Behandlung über Monate, wenn nicht sogar Jahre, verändert werden können. Diese Veränderung kann einen günstigen Nährboden für Krankheitserreger schaffen.

"Normalerweise wird es Erregern schwer fallen, den Darm zu besiedeln", sagt David. „Es gibt Billionen anderer Bakterien, die sie schlagen müssen, um zu überleben. Wenn wir jedoch plötzlich die mikrobielle Konkurrenz um Ressourcen wegnehmen, verlieren wir die Kontrolle und die schlechten Bakterien, die böse Krankheiten verursachen C. difficile Kolitis haben einen klareren Weg. “

David und sein Team untersuchen, wie unsere Nahrungsauswahl - einschließlich Präbiotika und Probiotika - unsere Beziehung zu unserem Mikrobiom und letztendlich unsere Gesundheit aufrechterhalten kann.

"Im Laufe der Evolutionsgeschichte hatten unsere Körper die Chance, all dies herauszufinden und Systeme zu bauen, um die Mikrobiota in Schach zu halten", sagt Reese. "Aber als Forscher, die in der modernen Zeit leben, denke ich, dass wir immer noch versuchen, den richtigen Wert für den Zwischenwert in den Griff zu bekommen und wie wir uns dort halten können."

Die National Science Foundation, die Hartwell Foundation, die Alfred P. Sloan Foundation, das Searle Scholars Program, der European Research Council und der Austrian Science Fund unterstützten die Arbeit.

Quelle: Duke University

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