Wissenschaftler wissen seit Jahrzehnten, dass das, was wir essen, das Gleichgewicht der Mikroben in unserem Verdauungstrakt verändern kann. Die Wahl zwischen einem BLT—Sandwich oder einem Joghurtparfait zum Mittagessen kann die Populationen einiger Bakterienarten erhöhen und andere verringern – und wenn sich ihre relative Anzahl ändert, scheiden sie verschiedene Substanzen aus, aktivieren verschiedene Gene und absorbieren verschiedene Nährstoffe.
Und diese Lebensmittelauswahl ist wahrscheinlich eine Einbahnstraße. Es wurde auch gezeigt, dass Darmmikroben die Ernährung und das Verhalten sowie Angstzustände, Depressionen, Bluthochdruck und eine Vielzahl anderer Erkrankungen beeinflussen. Aber genau wie diese Billionen winziger Gäste – zusammen Mikrobiom genannt – unsere Entscheidungen darüber beeinflussen, welche Lebensmittel wir in den Mund nehmen sollen, war ein Rätsel.
Neurowissenschaftler haben nun herausgefunden, dass bestimmte Arten der Darmflora einem Wirtstier helfen, zu erkennen, welche Nährstoffe in der Nahrung fehlen, und dann fein zu titrieren, wie viel dieser Nährstoffe der Wirt wirklich essen muss. „Was die Bakterien für den Appetit tun, ist wie die Optimierung, wie lange ein Auto fahren kann, ohne mehr Benzin in den Tank geben zu müssen“, sagt der leitende Autor Carlos Ribeiro, der das Essverhalten von Drosophila melanogaster, einer Art Fruchtfliege, untersucht Champalimaud Zentrum für das Unbekannte in Lissabon.
In einem kürzlich in PLOS Biology veröffentlichten Artikel zeigten Ribeiro und sein Team, wie das Mikrobiom die Ernährungsentscheidungen von Drosophila beeinflusst. Zuerst fütterten sie eine Fliegengruppe mit einer Saccharoselösung, die alle notwendigen Aminosäuren enthielt. Eine andere Gruppe erhielt eine Mischung, die einige der Aminosäuren enthielt, die zur Herstellung von Protein benötigt wurden, aber keine essentiellen Aminosäuren enthielt, die der Wirt nicht selbst synthetisieren kann. Bei einer dritten Gruppe von Fliegen entfernten die Wissenschaftler nacheinander essentielle Aminosäuren aus der Nahrung, um festzustellen, welche vom Mikrobiom nachgewiesen wurden.
Nach 72 Stunden auf den verschiedenen Diäten wurden die Fliegen in allen drei Gruppen mit einem Buffet präsentiert, das ihre übliche zuckerhaltige Lösung neben proteinreicher Hefe anbot. Die Forscher fanden heraus, dass Fliegen in den beiden Gruppen, deren Ernährung keine einzige essentielle Aminosäure enthielt, ein starkes Verlangen nach Hefe hatten, um die fehlenden Nährstoffe auszugleichen. Aber als Wissenschaftler fünf verschiedene Arten von Bakterien im Verdauungstrakt der Fliegen vermehrten – Lactobacillus plantarum, L. brevis, Acetobacter pomorum, Commensalibacter intestini und Enterococcus faecalis — verloren die Fliegen völlig den Drang, mehr Protein zu essen.
Die Forscher fanden heraus, dass die Aminosäurespiegel der Fliegen immer noch niedrig waren, was darauf hindeutet, dass die Bakterien die Nährstoffe, die in der Ernährung der Fliegen fehlen, nicht einfach durch die Produktion der Aminosäuren selbst ersetzen. Stattdessen funktionierten die Mikroben als kleine Stoffwechselfabriken und wandelten die Nahrung, die sie bekamen, in neue Chemikalien um: Metaboliten, von denen die Forscher glauben, dass sie dem Wirtstier sagen könnten, dass es ohne die Aminosäuren weitermachen könnte. Durch diesen mikrobiellen Trick konnten sich die Fliegen zum Beispiel weiter vermehren — obwohl ein Aminosäuremangel normalerweise das Zellwachstum und die Regeneration und damit die Fortpflanzung behindert, erklärt Ribeiro.
Zwei Bakterienarten beeinflussten auf diese Weise besonders effektiv den Appetit von Fliegen: Acetobacter und Lactobacillus. Die Erhöhung beider war genug, um das Proteinhunger der Fliegen zu unterdrücken und ihren Appetit auf Zucker zu steigern. Diese beiden Bakterien stellten auch die Fortpflanzungsfähigkeit der Fliegen wieder her, was darauf hindeutet, dass ihr Körper normale Funktionen ausübte, die normalerweise bei einem Nährstoffmangel eingeschränkt werden. „Wie das Gehirn mit diesem Kompromiss von Ernährungsinformationen umgeht, ist sehr faszinierend, und unsere Studie zeigt, dass das Mikrobiom eine Schlüsselrolle dabei spielt, dem Tier zu sagen, was zu tun ist“, sagt Ribeiro.
Als nächstes entfernte das Team ein Enzym, das benötigt wird, um die Aminosäure Tyrosin in Fliegen zu verarbeiten, was es für die Fliegen notwendig macht, Tyrosin über ihre Nahrung zu bekommen, genau wie andere essentielle Aminosäuren. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass Acetobacter und Lactobacillus das Verlangen nach Tyrosin in den modifizierten Fliegen nicht unterdrücken konnten. „Dies zeigt, dass sich das Darmmikrobiom so entwickelt hat, dass es nur die normale Aufnahme essentieller Aminosäuren titriert“, erklärt Ribeiro.
Die Forschung eröffnet eine neue Perspektive auf die Koevolution von Mikroben und ihren Wirten. „Die Ergebnisse zeigen, dass es einen einzigartigen Weg gibt, der sich zwischen Tieren und den ansässigen Bakterien in ihrem Darm entwickelt hat, und es gibt eine Bottom-up-Kommunikation über die Ernährung“, sagt Jane Foster, Neurowissenschaftlerin an der McMaster University in Ontario und nicht mit der Studie verbunden.
Obwohl die Forschung den genauen Mechanismus der Kommunikation nicht spezifiziert, denkt Ribeiro, dass es verschiedene Formen annehmen könnte. Starke Beweise aus der Studie zeigen, dass mikrobiell abgeleitete Metaboliten Informationen vom Darm zum Gehirn transportieren und dem Wirt mitteilen, ob er eine bestimmte Art von Nahrung benötigt. „Eines der großen evolutionären Rätsel ist, warum wir die Fähigkeit verloren haben, essentielle Aminosäuren zu produzieren“, sagt er. „Vielleicht gaben diese Metaboliten den Tieren mehr Spielraum, um unabhängig von diesen Nährstoffen zu sein und manchmal ohne sie auszukommen.“
Mikroben könnten ihre eigenen evolutionären Gründe für die Kommunikation mit dem Gehirn haben, fügt er hinzu. Zum einen ernähren sie sich von allem, was das Wirtstier frisst. Zum anderen müssen die Wirtstiere sozial sein, damit sich die Gäste in der Bevölkerung ausbreiten können. Die Daten sind bisher auf Tiermodelle beschränkt, aber Ribeiro glaubt, dass die Darm-Hirn-Kommunikation in Zukunft einen fruchtbaren Boden für die Entwicklung von Behandlungen für den Menschen bieten kann. „Es ist ein interessantes therapeutisches Fenster, das genutzt werden könnte, um das Verhalten im Zusammenhang mit der Ernährung eines Tages zu verbessern“, sagt er.
