Ökophysiologie Trimethylamin-produzierender Bakterien der menschlichen Darmmikrobiota

• Antragsteller: Dr. Marius Vital
• Subject Area: Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Term: since 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 456214861

Umfangreiche Forschung zur Darmmikrobiota hat unser Verständnis über die Rolle von Bakterien für die Gesundheit des Menschen über traditionelle Pathogene hinaus erweitert. Die spezifischen Faktoren und Mechanismen, welche Krankheiten auslösen, sind jedoch nur zum Teil bekannt und Interventionen, um eine präzise Änderung der Bakterienzusammensetzung zu erreichen, stecken noch in den Kinderschuhen. Eine Veränderung der Zusammensetzung der Mikrobiota kann mit einer Erhöhung von kommensalen Bakterien einhergehen, deren Produkte den Wirt schädigen. Exemplarisch steht hierfür das Trimethylamin (TMA), ein atherosklerose- und thrombosefördernder Stoff, welcher von Bakterien aus bestimmten Nahrungsinhaltsstoffen gebildet wird. TMA wird absorbiert und anschließend zu Trimethylamin-N-Oxid (TMAO) oxidiert. Viele Studien haben TMA(O) als Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (HKE) bestätigt, jedoch ist über die Bakterien, welche TMA produzieren, nur sehr wenig bekannt.Wir konnten zeigen, dass eine Vielzahl taxonomisch unterschiedlicher Bakterien an der Bildung von TMA beteiligt ist, diese jedoch nur einen kleinen Teil der Gesamtmikrobiota ausmachen. Der vorliegende Antrags wird, durch eine Kombination aus in silico, in vitro und in vivo Experimenten, umfassende Einblicke in TMA-produzierende Bakterien geben und deren ökophysiologischen Schlüsseleigenschaften spezifizieren. Öffentliche Metagenomdaten werden in silico untersucht um TMA-produzierende Bakterien aufzudecken, inklusive nicht-kultivierter Mitglieder, und deren Nischen im Darm mittels detaillierter Genomanalysen zu eruieren. Die Resultate werden durch definierte Kultivierungsexperimente komplementiert. Basierend auf unserer kürzlich veröffentlichten Studie, welche die Bildung von TMA aus Cholin durch Enterobakterien als einen Hauptweg der TMA Produktion in HKE suggeriert, werden wir spezifische Kultivierungen durchführen um die zugrundeliegenden physiologischen Mechanismen der Bakterien zu untersuchen und Unterschiede zwischen Bakterien in deren Effizienz, TMA über diesen Stoffwechselweg zu bilden zu ermitteln. Zusätzlich werden wir mathematische Modelle über die Interaktionen zwischen Ernährung, Abundanz/Zusammensetzung TMA-produzierender Bakterien und Plasmakonzentrationen von TMA(O) in vivo in Dialysepatienten, welche allgemein stark von HKE betroffen sind, erstellen. Durch die fehlende renale Ausscheidung akkumuliert TMAO und kann als Biomarker für HKE in diesen Patienten herangezogen werden. Des Weiteren werden wir den Einfluss einer ballaststoffreichen Ernährung auf TMA-produzierende Bakterien und TMA(O) Konzentrationen innerhalb einer Ernährungsinterventionsstudie in Dialysepatienten engmaschig verfolgen.Die gewonnen Resultate werden zentrale Erkenntnisse über TMA-produzierende Bakterien liefern und es erlauben Rahmenbedingungen für eine Risikoabschätzung und für die Entwicklung von gezielten Therapieansätzen zu schaffen, um die Produktion dieses toxischen Metaboliten zu unterbinden.

• DFG Programme: Sachbeihilfen