Mikrobielles Leben unter der Lupe
Jedes Tier gilt als ein eigenständiges Ökosystem, das von Mikrobiota in Organen wie der Haut und dem Darm besiedelt wird. Gemeinsam mit dem Wirt bilden diese mikrobiellen Gemeinschaften das sogenannte Holobiom. Die Wechselwirkungen zwischen diesen kommensalen Mikroorganismen und dem Wirt sind entscheidend für die Gesundheit, das Wohl und die Erzeugung von Tieren. Bisher wurden Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiota über die Bestimmung von Mikroben erforscht. Dabei wird jedoch ein wichtiger Parameter übersehen: die genaue Position der Mikrobiota im Wirt, die Nähe zu Nährstoffen und Konkurrenten. All das kann für das Verhalten und die Wechselwirkungen von Mikroben sehr wichtig sein. Daher muss der räumliche Kontext von Bakterien und Biomolekülen in Gewebe untersucht werden.
Integration von Omik-Technologien
Um zu erfahren, wie Mikroben miteinander und mit dem Wirt interagieren, wurde im EU-finanzierten Projekt 3D-omics(öffnet in neuem Fenster) eine Kombination an Ansätzen der Omik(öffnet in neuem Fenster). Das sind Möglichkeiten, Gene, Proteine und Chemikalien im Körper zu analysieren. Indem diese Daten in 3D aufbereitet wurden, wollte das Team nicht nur sehen, was im Darm passiert, sondern wo genau es passiert. Projektkoordinator Antton Alberdi kommentiert: „Durch die Integration verschiedener Omik-Daten von Wirt und Mikroben können wir nicht nur katalogisieren, welche Organismen vorliegen, sondern klären, was die einzelnen Organismen tun und wie sie interagieren.“ Die Forschenden beobachteten, welche Gene aktiviert werden, welche Proteine synthetisiert werden, und welche kleinen Moleküle vorliegen, um Informationen über den gegenseitigen Einfluss von Mikroben und Wirt zu erhalten. In Kombination geht aus diesen Informationsschichten ein klareres Bild darüber hervor, wie sich diese Beziehungen auf die Gesundheit von Tieren auswirken.
Mikroben in 3D analysieren
Für jede Art von Omik-Analyse müssen Proben anders aufbereitet und verarbeitet werden, sodass die Ergebnisse schwer zu kombinieren sind. In vielen Referenzdatenbanken fehlen auch wichtige Informationen zur Funktion mikrobieller Gene. Außerdem werden Wirte und Mikroben anders reguliert und die Stoffwechselprodukte von Mikroben können sich auf Körperteile auswirken, die weit vom Ort der Produktion entfernt liegen. Um diese Probleme zu lösen, hat das Konsortium eine neue Methode der räumlichen Metagenomik auf Mikroskala (MSSM, microscale spatial metagenomics) angewendet. Anders als bei gewöhnlicher Omik, für die große Mengen Material notwendig sind und bei der keine 3D-Strukturen abgebildet werden, kann mit MSSM erkannt werden, welche Mikroben, Gene und Funktionen in 25-Mikrometer-Netzen vorhanden sind. So können Forschende genau sehen, welche Stämme mit einer probiotischen Art in Verbindung stehen, oder wie Pathogene wie Salmonellen sich in der Nähe des Wirtsgewebes positionieren.
Mikrobiologische Karten in aussagekräftige Erkenntnisse umwandeln
Das Team von 3D-omics hat die MSSM-Plattform eingesetzt, um die Viehzucht zu verbessern, indem dargestellt wird, wie bestimmte Stämme mit nativen Mikroben im Darm interagieren und wo sie sich absetzen. Mit diesen 3D-Informationen konnten die Forschenden feststellen, wie Mikroben sich an bestimmten Nährstoffen wie Ballaststoffen ansammeln, die Futtermitteln beigesetzt sind, um den Stoffwechsel und die Immunfunktion zu fördern. Mit MSSM kann bestimmt werden, wo Ballaststoffe abgebaut werden und welche Mikroben zusammenarbeiten. So können gezielte Ballaststoffmischungen und Ergänzungsmittel erstellt werden, um wirksam ein günstiges Ökosystem im Darm zu fördern. „Unsere Technologie zur Mikrobiomanalyse auf Mikroskala kann auf jedes komplexe mikrobielle Ökosystem angewendet werden“, betont Alberdi. Das Team weitet die Forschung derzeit auf die menschliche Gesundheit aus, um vorherzusagen, welche mikrobiellen Gemeinschaften bei bestimmen Ernährungsformen oder Behandlungen gedeihen werden. Zukünftig könnten mit dem Ansatz von 3D-omics individuelle Therapien mit Probiotika für einzelne Menschen oder Nutztierrassen erstellt werden, indem die verschiedenen räumlichen Strukturen der Darmmikrobiota berücksichtigt werden.
