Mikroben sind winzig klein. Wurden sie deshalb bislang unterschätzt?
Thomas Bosch: Absolut. Moderne Sequenziertechniken wie etwa Metagenomics und Metabolomics haben gezeigt, dass wir einen großen Teil an Lebewesen lange Zeit übersehen haben. Mehr als die Hälfte der Zellen in unserem Körper sind mikrobielle Zellen. Dass diese Mikroorganismen so großen Einfluss auf unsere Entwicklung und Gesundheit haben, hat kaum jemand erwartet.
Interview Wirt + Mikrobe = Metaorganismus
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Mikroben sind kleinste Lebewesen, die sich dem menschlichen Auge entziehen. Zu ihnen gehören Einzeller wie Bakterien und Urtiere oder auch Wenigzeller wie Pilze und Algen. Manche der Winzlinge sind auf einen Wirt angewiesen, der ihnen Leben und Überleben ermöglicht. Zugleich profitiert der Wirt von ihnen – beispielsweise in der Verdauung und Immunabwehr. Leopoldina-Mitglied Prof. Dr. Thomas Bosch hat mit seinen Studien am Süßwasserpolypen Hydra maßgeblich dazu beigetragen, dieses Zusammenspiel zu verstehen und als neues biologische Konzept „Metaorganismus“ zu etablieren. Am 15. April spricht der Zoologe und Entwicklungsbiologe an der Leopoldina über die Entdeckung des Metaorganismus und das Potenzial seiner Erforschung.
Frage und Antwort
Nachgefragt
Was sind Metagenomics und Metabolomics?
Antwort
Metagenomics und Metabolomics gehören zu den modernen biowissenschaftlichen „Omics“-Technologien, mit denen sich biologische Systeme ganzheitlich analysieren lassen. Dabei zeigt die Metagenomik, welche Mikroorganismen in einer Umwelt- oder Körperprobe vorhanden sind und über welches Erbgut sie verfügen. Aus dieser Analyse lässt sich ableiten, welche Stoffwechsel-Potenziale die Mikroorganismen haben. Die Metabolomik wiederum zeigt die biochemische Aktivität, also welche Stoffwechsel-Produkte tatsächlich entstehen. Im Ergebnis entsteht ein umfassendes Bild von der genetischen Ausstattung der Mikroben über deren Funktionen bis hin zu den produzierten Molekülen. Damit sind Einblicke in komplexe Ökosysteme wie den Darm und dessen Mikrobiom möglich.
Welche Rolle spielen Mikroorganismen in der Evolution?
Bosch: Sie spielen eine zentrale Rolle: Mikroben existieren seit rund 3,5 Milliarden Jahren, Tiere und Pflanzen erst seit etwa 560 Millionen Jahren. Ohne Mikroben gäbe es kein komplexes Leben. Pflanzen, Tiere und Menschen sind auf sie angewiesen. Ein Leben in extremen Habitaten, etwa in Wüsten oder im Hochgebirge, ist nur möglich durch die Interaktionen mit Mikroben. Selbst alltägliche Prozesse wie die Verdauung von Gras bei Wiederkäuern funktionieren nur dank spezialisierter Mikroben.
Sie forschen am Mikrobiom des Süßwasserpolypen Hydra. Was macht diesen Organismus so besonders?
Bosch: Die Hydra ist ein sehr einfaches, aber evolutionär altes Tier. Genau das macht sie so wertvoll für die Forschung. Zudem hat sie einen einfachen Körperbau. Und auch ihr Mikrobiom ist vergleichsweise von geringer Komplexität und lässt sich kultivieren. Da sich bei Hydra sowohl der Wirt als auch die Mikroben gezielt genetisch verändern lassen, können Ursache und Wirkung direkt untersucht werden. Werden die Mikroben entfernt, entwickelt sich etwa das Nervensystem nicht richtig. Das zeigt, wie fundamental Mikroorganismen für tierisches Leben sind – und das seit hunderten Millionen Jahren.
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Wirt und Mikroorganismen müssen folglich als Metaorganismus zusammen gesehen werden? Was genau verstehen Sie darunter?
Bosch: Kein Organismus existiert für sich allein. Pflanzen, Tiere und Menschen sind immer Lebensgemeinschaften aus Wirt und Mikroorganismen. Viele Prozesse in Gesundheit und Krankheit lassen sich nur verstehen, wenn dies als Zusammenspiel betrachtet wird. Die neuen Erkenntnisse verlangen eine holistische Herangehensweise. Der Metaorganismus ist deshalb ein neues biologisches Grundkonzept.
Welche Möglichkeiten wirft das neue Konzept für die Wissenschaft auf?
Bosch: Wir müssen viele biologische Systeme neu denken – zum Beispiel das Immunsystem. Lange galt es vor allem als Abwehr gegen Krankheitserreger. Heute wissen wir: Mikroben auf unserer Haut oder in der Mundhöhle sind ein aktiver Teil dieser Abwehr. Ohne sie wären wir deutlich anfälliger für Infektionen. Auch bei neuronalen Funktionen eröffnen sich neue Perspektiven. Über die Darm-Mikrobiom-Hirn-Achse beeinflussen im Darm gebildete mikrobielle Moleküle das Nervensystem und sogar das Verhalten. Bei einigen neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson spielt vermutlich ebenfalls ein verändertes Mikrobiom eine Rolle.
Leidet das Mikrobiom unter einer veränderten Umwelt?
Bosch: Ganz eindeutig. Seit den 1950er Jahren nehmen Lifestyle-Erkrankungen wie Adipositas, Neurodermitis oder Allergien stark zu. Unsere moderne Ernährungs- und Lebensweise setzt vielen Mikroben zu. Sie gehen verloren – und das bleibt für unsere Gesundheit nicht folgenlos.
Was kann die Forschung zur Unterstützung des Mikrobioms beitragen?
Bosch: Wenn wir wissen, warum uns in der urbanen Lebenswelt die sogenannten guten Mikroben abhandenkommen, dann können wir auch beginnen darüber nachzudenken, wie wir sie wieder in unsere Umwelt und in Pflanzen, Tieren und den Menschen zurückbringen können. Das ist derzeit ein enorm spannender Teil der Metaorganismus-Forschung.
Das Gespräch führte Benjamin Haerdle