Global Microbiome Conservancy bewahrt die mikrobielle Vielfalt des menschlichen Darms

Unser Darm ist kein stiller Mitläufer. In ihm lebt ein riesiges mikrobielles Ökosystem, das an zahlreichen Lebensprozessen beteiligt ist und die Gesundheit beeinflusst. Gerät dieses Mikrobiom aus dem Gleichgewicht, können unter anderem chronische Entzündungen begünstigt werden.

Wie dieses Ökosystem aussieht, unterscheidet sich von Mensch zu Mensch – und hängt auch davon ab, wo jemand lebt und wie. In industrialisierten Regionen nimmt die mikrobielle Vielfalt vermutlich ab, weil sich Ernährung und Lebensweise verändert haben. Diese Verarmung könnte sich negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken. Genau hier setzt die Global Microbiome Conservancy, kurz GMbC, an.

Eine weltweite Sammlung für die Darmforschung

Vor zehn Jahren gründeten Mathilde Poyet und Mathieu Groussin die Initiative, damals als wissenschaftliche Mitarbeitende am Massachusetts Institute of Technology. Heute ist die GMbC an der Medizinischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Kiel, angesiedelt.

In Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen sammelt die Organisation Mikrobiomproben unterrepräsentierter und nicht-industrialisierter Bevölkerungsgruppen. Gemeinsam mit Partnerinstitutionen in rund 30 Ländern dokumentiert und konserviert sie die Vielfalt des menschlichen Darmmikrobioms. Zum zehnjährigen Bestehen kamen bei einem zweitägigen wissenschaftlichen Symposium Hunderte Teilnehmende aus rund 60 Ländern zusammen.

Poyet und Groussin arbeiten seit 2022 am Institut für Experimentelle Medizin und am Institut für Klinische Molekularbiologie der CAU und des UKSH. Das US-amerikanische TIME Magazine nahm beide wegen ihrer Mikrobiomforschung in der Kategorie „Innovators“ in die TIME100-Next-Liste auf.

In den vergangenen zehn Jahren sammelten sie mit lokalen Forschenden und Gemeinschaften Proben von mehr als 2.000 Menschen aus über 70 Gemeinschaften in Amerika, Afrika, Asien und Europa. Daraus kultivierten und sequenzierten sie mehr als 10.000 Bakterienstämme aus über 450 Artengruppen – darunter Bakterien, die lange als im Labor nicht kultivierbar galten. Die Sammlung steht Forschenden weltweit offen und soll die gemeinschaftliche Weiterentwicklung der Mikrobiomforschung ermöglichen.

Bewahren, teilen, weiterforschen

Zu den Kernaufgaben der GMbC gehören die weltweite Sammlung von Mikrobiomproben, die Aufbewahrung daraus gewonnener Bakterienisolate und die Konservierung teils bislang unbekannter Bakterienarten. Die Biobank in Kiel enthält sowohl einzelne Bakterienisolate als auch vollständige Mikrobiomproben. Sie dient dazu, den Zusammenhang zwischen Mikrobiomzusammensetzung und Gesundheit zu untersuchen.

Die Organisation versteht sich dabei nicht bloß als Lagerhaus für Proben. Sie beteiligt sich an Bildungsinitiativen und stellt der Forschungsgemeinschaft Ressourcen zur Verfügung, mit denen wissenschaftliche Fragen zum menschlichen Mikrobiom bearbeitet werden können. Kultivierte, isolierte und gelagerte Darmbakterien werden so Teil einer offenen, gemeinnützigen und globalen Bibliothek des mikrobiellen Erbes.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Repräsentation. Die GMbC baut Kooperationen mit Bevölkerungsgruppen weltweit auf, besonders mit unterrepräsentierten Gemeinschaften. Mehr Inklusion in der Mikrobiomforschung klingt zunächst nach einem großen Wort; praktisch bedeutet es, dass Proben, Wissen und Forschungsfragen nicht nur aus den immer gleichen Regionen kommen.

Auch der Kapazitätsaufbau gehört dazu: Partnerinstitutionen erhalten umfassende wissenschaftliche Schulungen und Forschungshilfe. Mitglieder des GMbC-Konsortiums sollen dadurch befähigt werden, in ihren eigenen Regionen zum wissenschaftlichen Fortschritt beizutragen. Forschungsergebnisse und mögliche Vorteile will die GMbC nach ethischen Standards und im Sinne des Nagoya-Protokolls mit den Herkunftsländern teilen.

Mathilde Poyet und Mathieu Groussin sind Sprecherin und Sprecher des Kiel Metaorganism Centers im Forschungsschwerpunkt Kiel Life Science. Das Zentrum kooperiert mit europäischen Forschungseinrichtungen zur Mikrobiomforschung. Beide sind außerdem im Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ sowie im Exzellenzcluster „Precision Medicine in Chronic Inflammation“ aktiv.

Ein Kern ihrer Arbeit ist die Frage, wie geografische Herkunft, Lebensstil und Mikrobiomzusammensetzung zusammenhängen. Im Exzellenzcluster PMI untersuchen sie, welche Mikrobiomfunktionen chronische Entzündungen fördern oder ihnen entgegenwirken. Thomas Bosch und Joachim Thiery würdigten die internationale Vernetzung, die Bedeutung der GMbC für die Bewahrung mikrobieller Vielfalt und ihre mögliche Grundlage für neue Ansätze zur Prävention und Behandlung von Krankheiten.

Was der Blick auf Menschenaffen verrät

Wie kompliziert die Suche nach einem „gesunden“ Mikrobiom ist, zeigt eine Studie von Forschenden der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, des Helmholtz-Instituts für One Health Greifswald und weiterer Einrichtungen. Das Team untersuchte Zusammenhänge zwischen Mikrobiom, Evolution, Umwelt und möglichen Krankheitsrisiken. Im Mittelpunkt standen chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, CED, die mit Veränderungen der Zusammensetzung des Darmmikrobioms verbunden sind.

Ein einheitlicher menschlicher Normalzustand lässt sich allerdings nur schwer definieren. Deshalb verglichen die Forschenden Mikrobiomdaten von Menschenaffen und Menschen mit unterschiedlichen Lebensweisen. Die Studie ist die bislang größte Untersuchung dieser Art und basiert auf der größten bisher zusammengestellten Sammlung bakterieller Genome von Menschenaffen.

Analysiert wurden rund 200 Stuhlproben von wildlebenden afrikanischen Menschenaffen, darunter Schimpansen und Gorillas, von Menschen aus ländlichen Regionen der Demokratischen Republik Kongo und der Côte d’Ivoire sowie von Menschen aus städtischen Regionen in Dänemark und Deutschland. Untersucht wurden Artenvielfalt, Zusammensetzung und genetische Eigenschaften der Mikrobiome – und ihre Entwicklung unter verschiedenen Umwelt- und Lebensbedingungen.

Das Ergebnis: Die Darmmikrobiome sind stark wirtspezifisch. Anhand der Bakterienarten und ihrer Häufigkeiten ließ sich unterscheiden, ob eine Probe von einem Schimpansen, einem Gorilla oder einem Menschen stammte. Die Ähnlichkeit der Mikrobiome entsprach dabei der evolutionären Verwandtschaft ihrer Wirte. Diese gemeinsame Entwicklung von Wirt und mikrobieller Gemeinschaft wird Phylosymbiose genannt.

Bei allen untersuchten Menschenaffen fanden sich Hinweise auf langfristig konservierte evolutionäre Beziehungen zwischen den Wirtsarten und ihren Mikrobiomen. Einige dieser evolutionär konservierten Bakteriengruppen gehen bei Menschen mit urbanem Lebensstil offenbar zurück.

Besonders im Blick war die Bakteriengattung Prevotella. In europäischen Mikrobiomen war sie selten, in Proben aus der Demokratischen Republik Kongo und der Côte d’Ivoire kam sie häufiger vor. Bei den untersuchten Menschenaffen war sie besonders stark vertreten. Die Forschenden vermuten, dass Prevotella seit Millionen Jahren zum Mikrobiom der Hominiden gehört, bei Menschen mit urbanem Lebensstil jedoch deutlich reduziert ist.

Ein genetischer Vergleich menschlicher und von Schimpansen stammender Prevotella-Bakterien brachte einen weiteren Hinweis: Ein bestimmtes Gen kam bei rund 90 Prozent der mit Menschen assoziierten Prevotella-Bakterien vor. Bei keiner der untersuchten affenassoziierten Arten wurde dieses Gen gefunden.

Experimente mit Escherichia coli deuten darauf hin, dass das Gen eine erhöhte Sauerstoffempfindlichkeit ermöglicht und das Überleben unter teilweise sauerstoffhaltigen Bedingungen unterstützen könnte. Die Forschenden werten das als mögliche funktionelle Anpassung an das menschliche Darmmilieu. Ein länger anhaltend erhöhter Sauerstoffgehalt im Darm tritt häufig bei Entzündungen auf und ist insbesondere bei CED ausgeprägt.

Was dabei Ursache und was Wirkung ist – Sauerstoffgehalt, Verlust von Prevotella, genetische Anpassung oder Krankheit –, bleibt laut Studie offen. Die Ergebnisse liefern Hinweise auf Zusammenhänge zwischen urbanem Lebensstil, dem Verlust konservierter Bakteriengruppen und funktionellen Veränderungen des menschlichen Mikrobioms. Eine abschließende Ursache für CED leitet die Studie nicht ab, wohl aber weitere Belege für eine mögliche Rolle von Mikrobiomveränderungen bei der Krankheitsentstehung.

Veröffentlicht wurde die Studie 2024 in Nature Communications: Rühlemann et al., „Functional host-specific adaptation of the intestinal microbiome in hominids“, DOI: 10.1038/s41467-023-44636-7.