Darmbakterien injizieren Proteine direkt in menschliche Zellen

Ihr Darm ist dicht mit Bakterien besiedelt – mit Billionen von ihnen. Sie unterstützen die Verdauung, produzieren Vitamine und halten schädliche Mikroorganismen in Schach.

Seit Jahren beobachten Forschende, dass sich die Gesundheit von Menschen häufig ebenfalls verändert, wenn sich diese Bakteriengemeinschaft wandelt. Autoimmunerkrankungen, Entzündungen und sogar der Stoffwechsel scheinen mit den Lebewesen im Darm verbunden zu sein.

Bislang fehlte jedoch eine eindeutige Erklärung dafür, wie diese Bakterien tatsächlich mit menschlichen Zellen kommunizieren. Zusammenhänge gab es viele, konkrete Mechanismen dagegen kaum.

Eine neue Studie schließt nun einen Teil dieser Lücke: Einige verbreitete Darmbakterien senden nicht nur chemische Signale aus. Sie schleusen Proteine unmittelbar in menschliche Zellen ein.

Dieser Befund verändert den Blick auf das Mikrobiom. Die Mikroorganismen sind keine stillen Mitreisenden, sondern aktive Akteure, die in unsere Zellen eingreifen und das Verhalten des Immunsystems beeinflussen können.

Darmmikroben mit verborgenen Werkzeugen

Die Forschenden entdeckten, dass zahlreiche gewöhnliche Darmbakterien über spezialisierte Systeme zur Proteininjektion verfügen. Mit diesen Systemen können die Bakterien eigene Proteine direkt in menschliche Zellen transportieren.

Bislang ging die Wissenschaft davon aus, dass eine solche molekulare Ausstattung fast ausschließlich bei krankheitserregenden Bakterien vorkommt.

Geleitet wurde die Studie von einem Team mehrerer europäischer Forschungszentren, darunter Helmholtz Munich, die Ludwig-Maximilians-Universität und weitere internationale Partner.

„Unser Ziel war es, einige der grundlegenden Prozesse besser zu beschreiben, durch die Darmbakterien die menschliche Biologie beeinflussen“, sagte Studienmitautorin Veronika Young, Forscherin bei Helmholtz Munich.

„Indem wir direkte Protein-Protein-Interaktionen zwischen bakteriellen und menschlichen Zellen systematisch kartieren, können wir nun molekulare Mechanismen hinter diesen Zusammenhängen vorschlagen.“

Die Entdeckung verlangt ein Umdenken. Bakterien, die unauffällig in gesunden Därmen leben, besitzen offenbar Werkzeuge, die bislang ausschließlich Krankheitserregern zugeschrieben wurden.

Mikroben, die Zellen beeinflussen

Das Vorhandensein dieser Injektionssysteme verändert die Einschätzung sogenannter harmloser Bakterien.

„Das verändert unsere Sicht auf kommensale Bakterien grundlegend“, sagte Pascal Falter-Braun, Direktor des Instituts für Netzwerkbiologie bei Helmholtz Munich und korrespondierender Autor der Studie.

„Es zeigt, dass diese nicht pathogenen Bakterien nicht nur passive Bewohner sind, sondern menschliche Zellen aktiv manipulieren können, indem sie ihre Proteine in unsere Zellen injizieren.“

Eine solche Manipulation bedeutet nicht zwangsläufig Schaden. Die menschliche Biologie ist auf Ausgewogenheit angewiesen.

Vor allem das Immunsystem muss fortlaufend fein abgestimmt werden, damit es Bedrohungen bekämpft, ohne übermäßig zu reagieren. Die Studie legt nahe, dass Darmbakterien auf sehr unmittelbare Weise an diesem Abstimmungsprozess beteiligt sein könnten.

Im Netzwerk der Proteine

Um zu ermitteln, welche Aufgaben diese bakteriellen Proteine erfüllen, erstellte das Forschungsteam eine umfangreiche Interaktionskarte. Dabei identifizierte es mehr als tausend direkte Wechselwirkungen zwischen bakteriellen und menschlichen Proteinen.

Rasch zeichneten sich Muster ab: Die bakteriellen Proteine griffen häufig in menschliche Signalwege ein, die mit der Steuerung des Immunsystems und dem Stoffwechsel verbunden sind. Labortests bestätigten, dass diese Proteine zentrale Wege der Immunantwort beeinflussen können, darunter NF-κB und Zytokinreaktionen.

Zytokine fungieren als Botenstoffe. Sie helfen Immunzellen dabei, Angriffe zu koordinieren und die Reaktion wieder zu beenden, sobald die Gefahr vorüber ist.

Gerät die Zytokin-Signalübertragung aus dem Gleichgewicht, können Entzündungen außer Kontrolle geraten. Ein Beispiel ist der Tumornekrosefaktor, kurz TNF. Die Blockade der TNF-Aktivität ist bereits eine verbreitete Behandlung bei Morbus Crohn, einer Autoimmunerkrankung des Darms.

Verbindung zwischen Bakterien und Entzündung

Die Studie ging noch weiter. Die Forschenden untersuchten Daten zum Darmmikrobiom von Menschen mit Morbus Crohn und verglichen sie mit denen gesunder Personen.

Sie stellten fest, dass Gene, die mit diesen bakteriellen Effektorproteinen verbunden sind, in den Mikrobiomen von Morbus-Crohn-Patientinnen und -Patienten häufiger vorkamen.

Dieser Befund deutet auf einen direkten Weg hin, über den Darmbakterien zu chronischen Entzündungen beitragen könnten.

Anstatt aus der Distanz zu wirken, könnten Bakterien das Verhalten des Immunsystems Zelle für Zelle verändern. Das könnte erklären, weshalb Veränderungen der Darmbakterien oft gemeinsam mit entzündlichen Darmerkrankungen auftreten.

Eine Lücke in der Mikrobiomforschung schließen

Seit Jahrzehnten ringt die Mikrobiomforschung mit einem grundlegenden Problem. Sie konnte starke Verbindungen zwischen Mikroorganismen und Krankheiten aufzeigen, nicht jedoch erklären, wie das eine das andere verursacht.

Diese Studie ergänzt eine fehlende Ebene, indem sie eine physische und molekulare Verbindung zwischen Bakterien und menschlichen Immunzellen belegt.

Zugleich wirft sie weiterreichende Fragen auf. Entwickelten sich diese Injektionssysteme zunächst, um ein friedliches Zusammenleben im Darm zu ermöglichen? Oder wurden sie später von schädlichen Bakterien angepasst, um Krankheiten auszulösen?

Die Antworten könnten das wissenschaftliche Verständnis der langen gemeinsamen Geschichte von Menschen und ihren Mikroben neu prägen.

Die nächste Grenze der Mikrobiomforschung

Künftige Arbeiten werden sich auf einzelne Interaktionen konzentrieren. Die Forschenden wollen herausfinden, welche bakteriellen Proteine welche menschlichen Gewebe beeinflussen und unter welchen Bedingungen dies geschieht. Das Ziel ist nicht nur Verständnis, sondern auch Kontrolle.

Wenn Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler lernen, wie diese bakteriellen Systeme die Immunität beeinflussen, könnten sie sie eines Tages in Richtung besserer Ergebnisse lenken.

Eines ist vorerst klar: Im Darm ist es nicht still. Dort finden unzählige Gespräche statt, und Bakterien haben deutlich mehr zu sagen, als bislang angenommen wurde.

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht.