Warum schützt das Mikrobiom vor Krankheitserregern?

Das natürliche Mikrobiom eines Organismus besteht aus Bakterien, Viren und Pilzen, die auf und in ihm leben. Diese mikrobielle Gemeinschaft beeinflusst zahlreiche Funktionen und die Gesundheit des Wirts – unter anderem dessen Fähigkeit zur Abwehr von Krankheitserregern. Am Kieler SFB 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit Jahren die komplexen Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und ihren Wirten. Dabei spielt C. elegans als Modellorganismus eine zentrale Rolle.

In einer aktuellen interdisziplinären Studie – unter Leitung von PD Dr. Katja Dierking von der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik an der CAU – wurde nun ein überraschender Mechanismus entdeckt: Pseudomonas-Bakterien, die im Darm des Fadenwurms leben, produzieren Sphingolipide, die vor Infektionen schützen. Dies ist bemerkenswert, da bisher angenommen wurde, dass nur wenige bakterielle Gruppen zur Sphingolipid-Produktion fähig sind. Für Pseudomonas war diese Fähigkeit bislang unbekannt.

Neuer Syntheseweg entdeckt

Die Sphingolipide werden über einen bisher unbekannten alternativen Stoffwechselweg gebildet, der sich deutlich von den bekannten Synthesewegen unterscheidet. Verantwortlich ist ein spezifisches Biosynthese-Gencluster. „Wir wussten also, dass bestimmte Bakterien im Darm der Würmer Substanzen produzieren, die sie vor Infektionen schützen können. Die beteiligten Stoffe und Mechanismen konnten wir aber bisher noch nicht identifizieren“, sagt Dr. Lena Peters, Wissenschaftlerin in Dierkings Arbeitsgruppe.

Das Forschungsteam arbeitete eng mit Kolleginnen und Kollegen verschiedener Einrichtungen zusammen, unter anderem den CAU-Professoren Christoph Kaleta und Manuel Liebeke, dem Max-Planck-Institut für Terrestrische Mikrobiologie in Marburg (unter der Leitung von Prof. Helge Bode) sowie Prof. Dominic Campopiano von der Universität Edinburgh. Mithilfe umfassender metabolischer und genetischer Analysen – darunter Transkriptionsstudien, Einzelmolekülanalysen und massenspektrometrische Verfahren – konnte die Schutzwirkung der bakteriellen Sphingolipide nachgewiesen werden.

Schutz durch bakterielle Lipide

„Diese Erkenntnis ist relativ neu“, erklärt Peters. „Normalerweise nutzen Bakterien den Sphingolipid-Stoffwechsel von Wirtsorganismen, um diesen gezielt zu manipulieren und Infektionen zu begünstigen. In unserem Fall beobachten wir jedoch das Gegenteil – hier unterstützen bakterielle Sphingolipide offenbar aktiv den Schutz des Wirts.“ Die fettähnlichen Moleküle sind üblicherweise in Eukaryoten zu finden, in Bakterien hingegen sehr selten. Bei Pseudomonas werden sie nicht als Teil des Primärstoffwechsels, sondern als sogenannte Sekundärmetabolite gebildet – über eine Polyketid-Synthase.

Die Forschenden konnten in Infektionsversuchen mit dem Krankheitserreger Bacillus thuringiensis zeigen, dass C. elegans in Anwesenheit von Pseudomonas fluorescens-Bakterien mit dem entsprechenden Gencluster deutlich bessere Überlebenschancen hatte. Peters, Erstautorin der Studie, betont: „In unseren Versuchen konnten wir bestätigen, dass die Würmer in Anwesenheit von Pseudomonas fluorescens-Bakterien, die dieses Gencluster aufwiesen, besser überlebten.“

Prof. Campopiano ergänzt: „Für uns war es spannend, an dieser wichtigen, bahnbrechenden Arbeit mitzuwirken. Wir freuen uns, dass unser Fachwissen in der bakteriellen Sphingolipid-Forschung dazu beigetragen hat, die bislang unbekannte Rolle dieser rätselhaften Lipide im Mikrobiom des Wurms zu entschlüsseln.“

Indirekter Schutzmechanismus

Der beobachtete Schutzmechanismus scheint indirekt zu wirken. Die von den Bakterien produzierten Sphingolipide beeinflussen den Sphingolipid-Stoffwechsel des Wurms. Dies stärkt vermutlich die Barrierefunktion der Darmzellen. „Wir gehen davon aus, dass der durch P. fluorescens modifizierte Sphingolipid-Metabolismus die Stabilität und Widerstandskraft der Zellmembranen stärkt – und damit einen wirksamen, indirekten Schutz vor Pathogenen bietet“, erläutert Peters. B. thuringiensis produziert Toxine, die Poren in der Zellmembran des Wurms erzeugen – durch die bakterielle Lipidproduktion wird diese Schwachstelle offenbar effektiv kompensiert.

Neue Ansätze zur Beeinflussung des menschlichen Mikrobioms?

Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass ähnliche Gencluster auch bei anderen Wirt-assoziierten Darmbakterien vorkommen – was auf eine weit verbreitete Schutzfunktion der bakteriellen Sphingolipide schließen lässt. „Insgesamt erweitert die neue Forschungsarbeit das Verständnis darüber, wie mikrobielle Stoffwechselprodukte den Schutz des Wirtes vor Krankheitserregern unterstützen“, resümiert Dierking. Langfristig erhoffen sich die Forschenden, über diese Erkenntnisse auch neue Ansätze zur Beeinflussung des menschlichen Mikrobioms und zur Behandlung mikrobiomassoziierter Erkrankungen entwickeln zu können.

Sonderforschungsbereich 1182: Ein interdisziplinäres Netzwerk

Der Sonderforschungsbereich „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ ist ein interdisziplinäres Netzwerk mit rund 80 Beteiligten aus unterschiedlichen Fachrichtungen. Ziel ist es, die langfristigen Wechselwirkungen zwischen Wirtsorganismen und mikrobiellen Gemeinschaften zu verstehen – und deren funktionale Konsequenzen zu erforschen. Gefördert wird das Vorhaben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Die beteiligten Partner kommen aus fünf Fakultäten der CAU, dem GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel, dem Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön, der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, dem Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik sowie der Muthesius Kunsthochschule.

Originalpublikation:
Lena Peters et al. (2025): Polyketide synthase-derived sphingolipids mediate microbiota protection against a bacterial pathogen in C. elegans. Nature Communications, First published: 3 June 2025.
DOI:10.1038/s41467-025-60234-1

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel