Forschende des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben am Fadenwurm Caenorhabditis elegans nachgewiesen, wie ein Darmbakterium der Gattung Pseudomonas durch einen neuartigen Stoffwechselweg Sphingolipide produziert, die den Wirt vor Infektionen schützen. Die Erkenntnisse, gewonnen in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie und internationalen Partnern, erweitern das Verständnis der Rolle des Mikrobioms bei der Krankheitsabwehr.

Das Mikrobiom beeinflusse maßgeblich die Gesundheit des Wirts, insbesondere durch Schutz vor Krankheitserregern, erklärten die Forschenden. Der SFB 1182 untersucht seit Jahren die komplexen Interaktionen zwischen Wirtsorganismen und Mikroorganismen, unter anderem am Modellorganismus C. elegans. In ihrer Studie haben die Wissenschaftler entdeckt, dass ein Pseudomonas-Bakterium im Darm des Fadenwurms Sphingolipide produziert, obwohl dies für diese Bakteriengattung bislang unbekannt war. Überraschend sei, dass die Bakterien einen alternativen Stoffwechselweg nutzten, der sich von bekannten Sphingolipid-Synthesewegen unterscheide, so die Wissenschaftler.

Sphingolipide werden durch ein spezifisches Biosynthese-Gencluster produziert und schützten das Darmepithel des Wurms vor Schäden durch Krankheitserreger, etwa Bacillus thuringiensis. Analysen hätten gezeigt, dass die Sphingolipide den Sphingolipid-Stoffwechsel des Wurms beeinflussten, so die Forschenden. Als Grund vermuten sie eine Stärkung der Zellmembranen, was die Widerstandskraft gegen Pathogene erhöhen könnte. Ähnliche Gencluster fanden sich auch in anderen Wirt-assoziierten Darmbakterien, was auf eine breitere Verbreitung dieser Schutzmechanismen hindeutet.

Die von PD Dr. Katja Dierking geleitete Studie habe durch Stoffwechsel- und Transkriptionsanalysen sowie massenspektrometrische Methoden die genetischen und metabolischen Grundlagen des Infektionsschutzes aufgeklärt. Kooperationen mit den CAU-Professoren Christoph Kaleta und Manuel Liebeke sowie internationalen Partnern wie dem Marburger MPI und der Universität Edinburgh hätten die Entdeckung ermöglicht, wonach bakterielle Sphingolipide nicht, wie oft angenommen, Infektionen begünstigten, sondern aktiv den Wirt schützten. Die Produktion erfolge als Sekundärmetabolit über eine Polyketid-Synthase, die die notwendigen Enzyme kodiere, erklärten die Forschenden.

Die Ergebnisse bauten auf früheren Studien auf, die einen mikrobiom-vermittelten Infektionsschutz bei C. elegans belegt hätten, ohne jedoch die zugrunde liegenden Mechanismen zu kennen. Die aktuelle Arbeit zeige, wie mikrobielle Stoffwechselprodukte die Barrierefunktion von Darmzellen verbesserten, was indirekt vor Pathogenen schütze. Langfristig hofften die Wissenschaftler, solche Erkenntnisse auf den menschlichen Darm anzuwenden, um Störungen des Mikrobioms und daraus resultierende Krankheiten gezielt zu therapieren, betonten sie.

Original Paper:

Polyketide synthase-derived sphingolipids mediate microbiota protection against a bacterial pathogen in C. elegans | Nature Communications

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