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Mit Darmbakterien in Wechselwirkung

Baines hat zum Beispiel ein Gen analysiert, das im Darm aktiv ist. Es kodiert für ein Enzym, das den Proteinen oder Peptiden im  Darmsekret (Mukus) Zuckermoleküle hinzufügt.

Solche Zuckermoleküle sind Bindungsstellen für Bakterien. Sie binden daran und fressen die Zuckermoleküle. „Fehlt im Darm pflanzliches Material, etwa weil der Wirt nicht genug gegessen hat, dann geben die Bakterien ein Signal und der Wirt produziert mehr Zuckermoleküle für die Bakterien“, so Baines. „Das ist so eine Art Symbiose. Wir helfen den Bakterien und bekommen auch etwas von ihnen zurück. Denn die Darmbakterien produzieren zum Beispiel kurzkettige Fettsäuren, die die Heilung und Regeneration des Darmgewebes fördern.“

Unterschiede in der Darmflora

Wie sich die Darmflora verändert, wenn das Gen im Darm nicht aktiv ist, hat Baines an einem Knock-out- Maus-Modell untersucht. „Bei den Knock-out-Mäusen haben wir doppelt so viele von einer Art gesehen, als beim Wildtyp. Gleichzeitig war eine andere Art weniger stark vertreten. Dass der Einfluss so groß ist, haben wir nicht gedacht“, bekennt Baines. „Es sieht aus, als ob eine Art von Bakterium besser damit klar kommt, wenn die Zuckermoleküle im Mukus fehlen.“ Interessant sei dieser Befund vor allem deshalb, weil bei bekannten Risikogenen für Morbus Crohn ein ähnlicher Effekt auf die Darmflora beobachtet wurde. Dies hat die Arbeitsgruppe von Professor Philipp Rosenstiel herausgefunden. Die von Rosenstiel untersuchten genetischen Webfehler betreffen die NODlike- Rezeptoren (NLR), entwicklungsgeschichtlich sehr alte Strukturen, die zu einer Störung der angeborenen Immunität führen.

Wie die Veränderung der Bakteriengesellschaft mit der Anfälligkeit für Entzündung zusammenhängt, ist noch unklar. Wahrscheinlich beeinflusst das Gen die Pathogenresistenz, also die Fähigkeit Krankheitserreger abzuwehren. Diesem Verdacht will Baines in einem neuen Projekt zusammen mit Professor Guntram Grassl vom Forschungszentrum Borstel nachgehen.

Evolution ist nicht gleich Perfektion

Der Evolutionsbiologe möchte außerdem verstehen, warum sich die Anfälligkeit für chronische Entzündungskrankheiten überhaupt durchgesetzt hat, obwohl sie doch offensichtlich Nachteile  für die Betroffenen hat. „Diese Mutationen mussten irgendwann einen Vorteil gehabt haben, sonst wären sie nicht so häufig“, erklärt Baines. „Sehr oft sind es kurzfristige Lösungen, so würde ich das nennen, nicht die besten, sondern nur die ersten, die durch natürliche Selektion entstanden sind. Man könnte auch sagen, es ist eine schlampige Lösung der Natur. Aber solange der Selektionsdruck da ist, werden sie auch beibehalten.“ Den Grund für die Genveränderungen zu kennen, könne dazu beitragen, neue Therapieansätze zu finden. Davon ist der Evolutionsbiologe überzeugt und nicht nur er. Die Evolutionsmedizin, in dem diese Art Fragen gestellt werden, erlebt derzeit einen besonderen Schub in der naturwissenschaftlichen Forschung.

Dahinter steckt die Erkenntnis, dass sich komplexe Verhaltensweisen oder molekulare Prozesse nur im Ganzen verstehen lassen, wenn ihr evolutiver Ursprung bekannt ist. Daher wird die Evolutionsmedizin auch im Exzellenzcluster Entzündungsforschung als eigener Foschungsbereich, koordiniert von Philipp Rosenstiel und John Baines, weiter gestärkt.

John Baines


John Baines
ist Professor für Evolutionäre Genomik, tätig am Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie in Plön und an der Christians-Albrechts-Universität zu Kiel. Nach dem Studium der Biochemie und der Biologie in Maryland und Rochester promovierte der gebürtige US-Amerikaner an der Universität München, wo er vier Jahre Wissenschaftlicher Mitarbeiter war.

„Der Cluster ermöglicht mir mit Experten aus verschiedenen Fachbereichen zu arbeiten. Damit kann ich ein Thema in sehr viel größerer Breite untersuchen, als wenn ich das alleine oder nur mit meinen evolutionsbiologischen Kollegen machen würde. Kooperationspartner zum Beispiel aus der Mikrobiologie, Immunologie, Genetik oder den Kliniken finden sich an allen Standorten. Eigentlich habe ich viel zu viele Ideen und mögliche Kooperationen, als ich tatsächlich umsetzen kann.“

 

Genom der Mikroben-WG

Die Entwicklung der Metagenomik ermöglicht die Genom-Analyse einer ganzen Mikroorganismen- Population zum Beispiel im menschlichen Darm auf einmal, ohne sie im Labor zu kultivieren. Hierfür nutzt man moderne molekularbiologische Methoden, zum Beispiel die 454-Technologie zur Gensequenzierung. Damit lässt sich beispielsweise aus Stuhlproben isolierte DNA charakterisieren und die gesamte bakteriologische Gesellschaft auf einmal beobachten. Mit den herkömmlichen, klassisch mikrobiologischen Methoden wäre das nicht möglich. Denn ein großer Teil aller existierenden Mikroorganismen, so schätzt man, sind nicht kultivierbar. Metagenomische Methoden ermöglichen erstmals die komplexe Physiologie und Ökologie von Mikroorganismen zu erfassen. „Wir nutzen die Metagenomik, um den Einfluss von genetischen Varianten des Wirts auf die Zusammensetzung der Bakterienpopulation zu beobachten “, erklärt John Baines, Professor für Evolutionäre Genomik der intestinalen Mikroflora. „Das Interesse an dieser Forschung ist groß Denn die Mikrobiota spielt wahrscheinlich bei allen chronischen Krankheiten eine Rolle.

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