Forscher entdecken die entscheidende Rolle des bakteriellen Geschlechts in der Evolution des Mikrobioms von Säugetieren

In einer Pionierstudie, die jetzt in Proceedings of the National Academy of Science - USA veröffentlicht wurde, das Forschungsteam unter der Leitung von Isabel Gordo, vom Instituto Gulbenkian de Ciência (IGC) (Portugal), in Zusammenarbeit mit dem Forscher Michael Lässig von der Universität zu Köln (Deutschland), verwendeten gesunde Mäuse, um die Darmkolonisation in Echtzeit zu untersuchen, und entdeckten eine entscheidende Rolle für bakterielles Geschlecht in der Evolution des Säugetiermikrobioms. Diese Entdeckung stellt einen Paradigmenwechsel dar und eröffnet die Möglichkeit, auf Phagen ausgerichtete Therapien zu entwickeln, die in der Lage sind, mit den Folgen von Infektionen und Antibiotikaeinsatz umzugehen. sowie antibiotikaresistente Bakterien.

Das meiste, was wir über die bakterielle Besiedlung des Darms wissen, stammt aus Studien mit pathogenen Bakterien in hoch artifiziellen Labormodellen oder Krankheitskontexten. Standardexperimentelle Modelle, die sich auf Infektionen mit pathogenen Bakterien und eine kontinuierliche Antibiotikabehandlung konzentrieren, haben keinen phagengetriebenen horizontalen Gentransfer (HGT) nachgewiesen und legen nahe, dass sich Bakterien, die den Darm besiedeln, hauptsächlich durch die Akkumulation von Mutationen entwickeln. In einer überraschenden Erkenntnis, die Arbeit der IGC-Forscher zeigt nun, dass HGT, keine Mutationen, ist der erste evolutionäre Mechanismus, der das Tempo und das Ergebnis der bakteriellen Evolution in einem gesunden Darm bestimmt.

Escherichia coli ist ein häufiger Kolonisator des menschlichen Darms sowie ein potenzieller Krankheitserreger. Das Ergebnis der Kolonisation wird stark von den unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Evolutionsmodi dieses opportunistischen Bakteriums beeinflusst. E coli kann sich durch Mutationen entwickeln, die dann von Tochterzellen vererbt werden, oder durch einen Rekombinationsprozess, d.h. bakterielles Geschlecht, bei denen genetisches Material zwischen nicht verwandten Individuen geteilt wird. Im Darm von Mäusen und Menschen an dieser Übertragung von genetischem Material sind gemäßigte Bakteriophagen (Phagen) beteiligt, Viren, die Bakterien infizieren und sich als Prophagen in das Bakterienchromosom integrieren, ein Prozess namens Lysogenese. Prophagen können sich (und ihre genetische Information) später aus der bakteriellen DNA herauslösen und andere Bakterien im Darmmikrobiom infizieren.

Nelson Fraza, Postdoktorandin im Labor von Isabel Gordo und Juniorautorin der Studie, sagt:"Phagen, die oft als egoistische Partikel klassifiziert werden, zeigen ihre altruistische Seite im Darm, ihrem bakteriellen Wirt einen metabolischen Vorteil zu verschaffen, um den Darm zu erobern und zu besiedeln". Das übertragene genetische Phagenmaterial ermöglicht Bakterien Zugang zu spezifischen Kohlenstoffquellen im Darm die Phagen tragenden (lysogenen) Eindringlingsbakterien einen Fitnessvorteil verschafft.

Wir haben festgestellt, dass das klassische Evolutionsmodell nicht gilt, und tatsächlich überlagert der horizontale Gentransfer den Beitrag der Evolution durch die Akkumulation von Mutationen im Darm einer gesunden Maus erheblich."

Isabel Gordo, Ermittler

„Mit dieser Arbeit wir verstehen jetzt besser, wie Evolution im Normalfall funktioniert, gesunde Gastgeber“, sagt Nelson Frazão, Juniorautor der Publikation.

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