Darmbakterien haben sich schnell entwickelt, um Stärke in ultra-verarbeiteten Lebensmitteln zu verdauen
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Darmbakterien entwickeln sich als Reaktion auf unterschiedliche Ernährungsgewohnheiten rasch weiter, berichten Evolutionsbiologen der UCLA in einer neuen Studie. Die Forscher fanden heraus, dass Genvarianten, die Mikroben bei der Verdauung von Stärke helfen, die in ultra-verarbeiteten Lebensmitteln enthalten ist, die Genome einiger Arten von Darmbakterien in industrialisierten Teilen der Welt "überrollt" haben. Da diese Stärken industriell hergestellt werden und es sie erst seit ein paar Jahrzehnten gibt, gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die natürliche Auslese stark gewirkt haben muss, damit diese Gene so schnell dominant wurden. Darüber hinaus haben die Forscher herausgefunden, dass sich die Bakterien in industrialisierten und nicht-industrialisierten Teilen der Welt unterschiedlich entwickeln.
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Die Ergebnisse der Studie, die in Nature veröffentlicht wurde, untersuchten die Genome von fast drei Dutzend Arten von Darmbakterien anhand von Daten aus der ganzen Welt und identifizierten einen Prozess namens horizontaler Gentransfer, bei dem Bakterien DNA von einem Stamm auf einen anderen übertragen, als Mechanismus für diese schnelle Evolution. Der horizontale Gentransfer wurde bereits früher als der Mechanismus identifiziert, der es den Bakterien ermöglicht, so schnell eine Antibiotikaresistenz zu entwickeln, aber die Verbreitung dieses Prozesses bei Darmmikroben war bisher relativ unbekannt.
"Die Entdeckung, dass die Fähigkeit, neuartige Stärke zu verdauen, ein Ziel der natürlichen Selektion in Darmbakterien ist, ist interessant, aber wir haben ein noch robusteres, stärkeres Signal gefunden, dass es unterschiedliche Ziele der Selektion über viele Gene und viele Arten in industrialisierten und nicht-industrialisierten Populationen gibt", sagte Richard Wolff, Doktorand an der UCLA und Erstautor der Studie. "Worauf reagieren die Darmmikrobiome in industrialisierten Populationen? Wir haben mit diesen Stärken ein Beispiel herausgegriffen, aber es gibt wahrscheinlich viele Möglichkeiten, mit denen wir uns noch nicht auseinandergesetzt haben."
Wolff und die korrespondierende Autorin, die UCLA-Professorin für Ökologie und Evolutionsbiologie Nandita Garud, entwickelten eine neuartige Statistik, die Stellen in der DNA von 30 Darmbakterienarten identifiziert, an denen Gene in der jeweiligen Art besonders häufig vorkommen, so genannte "Sweeps". Die Statistik sucht nach winzigen Regionen der Homogenität vor dem Hintergrund einer immensen Vielfalt, die verschiedene Stämme derselben Art voneinander trennt.
"Verschiedene Stämme von E. coli haben sich zum Beispiel so stark voneinander unterschieden wie Menschen von Schimpansen, und doch bezeichnen wir sie als dieselbe Art. Trotz dieser Vielfalt gibt es in vielen Wirten gemeinsame DNA-Fragmente - ein verborgener Faden, der unsere Mikrobiome verbindet", so Garud.
Es zeigte sich, dass in industrialisierten und nicht-industrialisierten Populationen auf unterschiedliche Gene selektiert wurde, und ein bestimmtes Gen war nur in industrialisierten Populationen verbreitet. Dieses Gen ist mit der Fähigkeit verbunden, Maltodextrin zu verdauen, das aus Maisstärke hergestellt wird und seit den 1960er Jahren in verarbeiteten Lebensmitteln verwendet wird.
"Wir haben das adaptive Signal sehr deutlich gesehen, aber wir können noch nicht mit Sicherheit sagen, ob es sich um eine Spezialisierung auf Maltodextrin oder eine breitere Klasse von Stärkederivaten handelt. Es könnte Zwischenschritte bei der Anpassung der Bakterien an verschiedene Stärkequellen geben", so Wolff. "Zwischen einer Ernährung mit Maniok und Brotfrucht und einer Ernährung mit Hot Cheetos oder ähnlichem liegen viele Schritte."
Bakterien können auf viele verschiedene Arten DNA aus ihrer Umgebung aufnehmen: Sie können sie fressen, sie können mit einem Virus infiziert werden, das die DNA zwischen ihnen überträgt, und sie kann übertragen werden, wenn sich Bakterien zusammenschließen und eine Brücke bilden, die es ihnen ermöglicht, sich untereinander zu bewegen.
Menschen haben jedoch nur wenige Stämme derselben Darmbakterienart, und diese Stämme bleiben in der Regel viele Jahre lang bei jedem Menschen. Die weite Verbreitung der neu entdeckten Anpassung wirft daher die Frage auf: Wie werden DNA-Fragmente zwischen einzelnen Menschen ausgetauscht?
"Jeder Mensch hat vielleicht ein paar verschiedene Stämme von E. coli", sagt Garud. "Wenn DNA-Fragmente horizontal über verschiedene Stämme in verschiedenen Wirten übertragen werden und diese Stämme anscheinend ihren jeweiligen Wirten treu sind, wo rekombinieren sie dann? Wie bewegen sie sich zwischen einzelnen Menschen, um sich in einer ganzen Population zu verankern?"
Auch wenn die Antwort erst durch zukünftige Forschung gefunden werden kann, so legt doch die Entdeckung, dass sich Darmbakterien als Reaktion auf unterschiedliche Ernährungsweisen schnell weiterentwickeln, und die Möglichkeit, dass neuartige Stärken einen starken evolutionären Druck auf sie ausüben, nahe, dass eine sorgfältige Beachtung unserer Ernährung eine vielfältigere Rolle bei der Förderung unserer Gesundheit spielen könnte, als wir denken.
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