Archaeen als wichtige Akteure des Mikrobioms: Unsere Darmflora besteht nicht nur aus Bakterien und Viren, sondern wird auch von Archaeen beeinflusst. Bei umfangreichen Analysen zum Mikrobiom des Darms konnten Forschende nicht nur mehr als 1.000 verschiedene Archaeen identifizieren, sondern entdeckten auch zahlreiche neue Arten dieser urtümlichen Mikroben. Ein Katalog dieses menschlichen Archaeoms wurde nun im Fachmagazin „Nature Microbiology“ veröffentlicht.
Archaeen sind ähnlich wie die Bakterien, Prokaryoten und haben damit keinen Zellkern. Sie bilden aber einen eigenen, sehr alten Ast im Stammbaum des Lebens, da sich ihr zellulärer Aufbau und Metabolismus deutlich von dem anderer Organismen unterscheiden. Bekannt sind die Archaeen vor allem durch ihre Lebensweise an Orten mit extremen Umweltbedingungen, wie heißen Quellen oder der Tiefsee. Doch auch auf unserer Haut wurden schon Archaeen nachgewiesen.
Über 1.000 verschiedene Archaeen besiedeln unseren Darm
Wie aber sieht es mit Archaeen in unserem Inneren aus? Welche Archaeenarten in der menschlichen Darmflora vorkommen, hat nun ein Forschungsteam um Cynthia Maria Chibani von der Universität Kiel untersucht. Dafür werteten die Forschenden Daten aus zahlreichen bereits bestehenden Mikrobiomstudien aus, die jeweils die vollständigen genetischen Informationen der individuellen mikrobiellen Besiedlung des Darms der beteiligten Probandinnen und Probanden umfassten.
Die neue Analyse liefert die erste umfassende Beschreibung des menschlichen Archaeoms und seiner Artenvielfalt. Demnach setzt sich das menschliche Archaeom aus 1.167 Archaeen-Genomen zusammen und ist damit weitaus vielfältiger als bisher angenommen. In der Darmflora kommen zu einem großen Teil methanogene Archaeen vor, die die Abbauprodukte der Darmbakterien wie Kohlendioxid, Formiat oder Acetat in Methan umwandeln. Zu diesen gehört auch die Archaeengattung Methanobrevibacter, die einen Großteil der Archaeen im menschlichen Darm ausmacht.
Unbekannte Arten und Archaeen-befallende Viren
Doch auch noch unbekannten Arten begegneten die Forschenden auf ihrer Entdeckungsreise durch den menschlichen Darm: Von den 1.167 identifizierten Archaeengenomen konnten 0,85 Prozent keiner bekannten Gattung zugeordnet werden, 8,3 Prozent stammten von noch unbekannten Arten. Einige weitere Archaeen waren zwar schon bekannt, wurden aber erstmals im menschlichen Darm gefunden.
„Neben den zahlreichen neuentdeckten Arten konnten wir zudem bislang unbekannte Arten von Viren identifizieren, die Archaeen infizieren können“, berichtet Chibani. Ähnlich wie auch die Bakterien unserer Darmflora ihre eigenen viralen Parasiten in Form von Bakteriophagen besitzen, gibt es im Darm auch Viren, die auf Archaeen als Wirte spezialisiert sind. So befielen 91 der 94 neu identifizierten Archaeenviren die häufige Gattung Methanobrevibacter.
Darm-Archaeen geben Auskunft über „ihren“ Menschen
Neben der reinen Katalogisierung der Archaeen im Darm führten die Forschenden auch Analysen zur Funktion der 1,8 Millionen Proteinen der archaealen Darmbewohner durch. Dafür nutzten sie eine bioinformatische Methode zur Konstruktion von sogenannten Proteinclustern, also Gruppen von funktionsähnlichen oder verwandten Proteinen.
Mit der Untersuchung von mehr als 28.000 Proteinclustern, erhoffte man sich signifikante Zusammenhänge der Archaeen-Zusammensetzung im Darm mit soziodemografischen Merkmalen der menschlichen Probanden zu finden. „Das Vorkommen bestimmter Arten und die von ihnen produzierten Proteine lassen sich möglicherweise nutzen, um zum Beispiel Rückschlüsse auf Altersgruppen oder Lebensstile zu ziehen“, erklärt Chibani.
Und tatsächlich: Die Forschenden waren in der Lage, auf Basis des erstellten Proteinkatalogs mit hundertprozentiger Sicherheit vorherzusagen, ob die Probanden einen urbanen oder ruralen Lebensstil führten. Mit immer noch über 70 Prozent Genauigkeit konnten Vorhersagen über Herkunftsland, Gesundheitsstatus oder Geschlecht getroffen werden.
Es bleibt viel zu tun
Insgesamt steht die Wissenschaft bei der Identifizierung der vollständigen Diversität der Archaeen erst am Anfang. Inwiefern beispielsweise die jetzt identifizierten Archaeen unserer Darmflora einen Einfluss auf Krankheiten wie Darmkrebs oder entzündliche Darmerkrankungen haben, ist noch nicht vollends geklärt. Aber Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Archaeen in der Lage sind, die Aktivität pathogener Bakterien zu unterstützen, indem sie zum Beispiel hemmende Stoffwechselprodukte verbrauchen.
Der von der Forschungsgemeinschaft erstellte Katalog der 1,8 Millionen Archaeen-Proteine könnte in Zukunft genutzt werden, um die Physiologie und den Stoffwechsel der Archaeen weiter zu verstehen und die Kommunikation mit Darmbakterien und ihrem menschlichen Wirt zu entschlüsseln. (Nature Microbiology, 2022; doi: 10.1038/s41564-021-01020-9)
Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
