Bakterien mit Aufnahmefunktion erfassen Darmgesundheit

Damit das gut funktionierte, brachten die Forschenden den Crispr-Array der Bakterienart Fusicatenibacter saccharivorans in einen Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli ein, der als sicher gilt und als sogenanntes Probiotikum zugelassen ist. Teil des Transfers war die Bauanleitung eines Enzyms namens Reverse Transkriptase, welches RNA in DNA umschreiben kann. Dieses Enzym schreibt auch die Information der Boten-RNA in die DNA-Form um, welche zum Einbau in den Crispr-Array nötig ist.

Untersuchung, ohne den Körper zu stören

Forschende des Inselspitals und der Universität Bern um Andrew Macpherson verabreichten nun Mäusen im Labor derart veränderte Darmbakterien. Das Team sammelte Kotproben dieser Tiere, isolierte daraus die bakterielle DNA und analysierte diese mittels Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung. Aus einem riesigen Datenwust konnten die Forschenden mittels Bioinformatik die genetische Information der Boten-RNA-Schnipsel rekonstruieren. Die Wissenschafter:innen konnten so nicht-invasiv bestimmen, wie oft welches Boten-RNA-Molekül von den Darmbakterien während ihres Aufenthalts im Körper hergestellt wurde, und somit, welche Gene aktiv sind.

«Mit der neuen Methode können wir Informationen direkt aus dem Darm gewinnen, ohne dabei die Darmfunktion stören zu müssen», sagt Andrew Macpherson, Professor und Chefarzt Gastroenterologie am Inselspital Bern. Damit hat die Methode Vorteile gegenüber einer Darmspiegelung, die für Patienten unangenehm sein kann und bei der immer auch die Darmfunktion gestört wird, weil der Darm für die Untersuchung leer sein muss.

Ernährungszustand ermitteln

«Bakterien sind sehr gut darin, Umweltbedingungen zu erfassen und ihren Stoffwechsel an geänderte Bedingungen wie etwa die Nahrung anzupassen», erklärt Macpherson. In Experimenten mit Mäusen, die unterschiedliches Futter erhielten, konnten die Forschenden aufzeigen, wie die Bakterien ihren Stoffwechsel dem jeweiligen Nährstoffangebot anpassen. Die Wissenschaftler:innen berichten darüber in der jüngsten Ausgabe des Fachmagazins externe Seite Science.

Die Forschenden möchten die Methode weiterentwickeln, um damit dereinst auch in Patientinnen und Patienten zu untersuchen, wie die Ernährung das Darm-Ökosystem beeinflusst und wie sich dies auf die Gesundheit auswirkt. Die Methode soll künftig verwendet werden, um den Ernährungszustand von Kindern oder Erwachsenen zu ermitteln. Basierend darauf könnten Mangelernährungen diagnostiziert werden, oder Ärzte und Ärztinnen könnten entscheiden, ob ein Patient Nahrungsergänzungsmittel benötigt.

Ausserdem konnten die Forschenden Entzündungsreaktionen im Darm erkennen. Sie verabreichten Mäusen mit einer Darmentzündung sowie gesunden Mäusen die Sensorbakterien. Auf diese Weise konnten sie das spezifische Boten-RNA-Profil ermitteln von Darmbakterien, die in den Entzündungsmodus wechseln.

Verschiedene Bakterien unterscheiden

Teil der aktuellen Studie im Fachmagazin Science ist auch eine Weiterentwicklung, dank der die Wissenschaftler:innen zwei Bakterienstämme anhand von individuellen genetischen «Strichcodes» unterscheiden können. Damit lässt sich in Zukunft in Labortieren die Funktion von Genmutationen in Bakterien untersuchen. Forschende können damit das Boten-RNA-Profil von verschiedenen Bakterien vergleichen, um Beispiel von mutierten Bakterien und solchen ohne Mutation. Dank des molekularen Datenloggers ist es erstmals möglich, dieses Profil zu bestimmen, während die Bakterien den Darm durchlaufen und nicht erst, wenn sie im Kot vorliegen. Somit wissen die Wissenschaftler:innen was geschah, als die Bakterien noch im Darm lebten.

Denkbar wäre auch, das System weiterzuentwickeln, um RNA-Profile von Bakterien im Dünn- und Dickdarm zu unterscheiden. Ausserdem könnte man die Datenlogger-Funktion auch in andere Bakterienarten einbauen. Damit würden Anwendungen im Umweltmonitoring möglich. Durch die Analyse von Bodenbakterien aus einem Acker könnte man zum Beispiel nachweisen, ob Herbizide verwendet wurden.

Sichere Anwendung möglich

Die Methode selbst sowie charakteristische RNA-Profile, welche Rückschlüsse auf bestimmte eingenommene Nährstoffe sowie die Darmgesundheit ermöglichen, haben die Forschenden zum Patent angemeldet.

Bevor die Sensorbakterien ausserhalb eines Labors – auch in Patienten – verwendet werden dürfen, müssen die Wissenschaftler:innen noch Sicherheitsfragen und rechtliche Fragen klären. Denn die Bakterien sind gentechnisch verändert. «Grundsätzlich gibt es Möglichkeiten, lebende gentechnisch veränderte Mikroorganismen als Diagnostika oder Therapeutika in der Medizin anzuwenden, wenn dabei einige Bedingungen erfüllt sind», erklärt Platt. So ist es möglich, die Sensorbakterien so zu verändern, dass sie bestimmte Nährstoffe benötigen und dadurch nur innerhalb des Darms eines Patienten überleben. Ausserhalb des Darms sterben solche Bakterien ab. Der Einbau entsprechender Sicherheitsmechanismen ist der nächste Schritt hin zu einer Anwendung in der Medizin.

Diese Forschungsarbeit wurde unterstützt durch ERC Grants an Randall Platt und Andrew Macpherson sowie durch einen Grant des Botnar Research Center for Child Health. Die Studien mit Mäusen wurden an in der Clean Mouse Facility der Universität Bern durchgeführt, die durch die Forschungsstiftung Genaxen unterstützt wird.