Archaeen in Wirbeltieren erstmals kartiert

Archeenvielfalt im Darm von Wirbeltieren hängt mit ihrem Verwandtschaftsgrad und ihrer Ernährung zusammen

Blick auf eine Archaeenkolonie im Rasterelektronenmikroskop. © Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Blick durchs Lichtmikroskop: Methanogene Archaeen sind von Natur aus fluoreszierend. © Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Archaeen werden oft mit Bakterien verwechselt. Beide sind kleine, einzellige Organismen. Und doch unterscheiden sich Archaeen genetisch von Bakterien sehr erheblich. Obwohl Archaeen in vielen Lebensbereichen wie dem menschlichen Darm vorkommen, ist relativ wenig über sie bekannt. Ein internationales Team von Forschern aus Deutschland und Österreich unter der Leitung von Nicholas Youngblut vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen hat deshalb eine erste groß angelegte Untersuchung der Archaeenvielfalt im Darm verschiedener Wirbeltiere durchgeführt. Die Studie, die jetzt in Nature Microbiology veröffentlicht wurde, zeigt, dass die Vielfalt von Archaeen im Darm der Tiere größer ist als bisher angenommen. Außerdem konnten die Forscher zeigen, wie sich die Verwandtschaft der Tiere und ihre Ernährung auf die Archaeenvielfalt auswirken.

Biologischer Fingerabdruck

Archaeen bilden neben Bakterien und Eukaryoten eine dritte Lebensdomäne in der Biologie. Zwar sind sowohl Bakterien als auch Archaeen einzellige Organismen ohne Zellkern, doch unterscheiden sie sich in wichtigen Aspekten. So erzeugen Archaeen beispielsweise Methan, indem sie die Abfallprodukte der bakteriellen Gärung verzehren. Im Gegensatz zu Bakterien wurden bisher keine pathogenen Arten von Archaeen entdeckt, was zentrale Ursache dafür ist, dass Bakterien im tierischen Mikrobiom mehr Aufmerksamkeit geschenkt wird. Daher weiß man bisher vergleichsweise wenig über die Vielfalt der Archaeen im Wirbeltierdarm und darüber, welche Faktoren diese Vielfalt beeinflussen.

Wie ein biologischer Fingerabdruck besiedeln bestimmte Gruppen von Mikroben die Därme von Vögeln, Säugetieren, Amphibien, Reptilien und Fischen. Mit ihrer Veröffentlichung in Nature Microbiology zeigen die Forscher nun, wie sich Archaeen in das Gesamtbild der Mikroben im Darm einpassen. "Wir waren erstaunt über die Spezifität, aber auch über die Vielfalt der Archaeenarten, die wir im Darm von Wirbeltieren fanden. Darunter war auch das Archaeon Methanothermobacter", erklärt Nicholas Youngblut vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, der Erstautor der Studie. "Es ist bekannt, dass Methanothermobacter nur in heißen Umgebungen von etwa 60 Grad Celsius vorkommt, daher war sein Nachweis in einer großen Anzahl verschiedener Wirbeltiere überraschend. Wir konnten feststellen, dass diese Gattung besonders häufig und weit verbreitet bei Vögeln vorkommt, was auf deren höhere Körpertemperatur von etwa 40 Grad Celsius und wärmer zurückzuführen sein kann."

Breiter Datensatz von beeindruckender Qualität

Ähnliche Studien bei Tieren wurden nicht immer auf so einheitliche Weise durchgeführt. Dem Forschungsteam war es wichtig, wann immer möglich, Proben von Wildtieren zu erhalten, da sich das Mikrobiom von Tieren in Gefangenschaft stark von dem in freier Wildbahn unterscheidet. Der Ansatz war daher sehr umfassend, da möglichst vollständige Daten gesammelt und analysiert werden sollten, um die verschiedenen Archaeengemeinschaften in wilden Wirbeltieren zu identifizieren und auch zu klassifizieren.

"Drei Viertel der von uns untersuchten Proben, die mit Unterstützung der Veterinärmedizinischen Universität Wien gesammelt wurden, stammten von Wildtieren", sagt Georg Reischer vom Forschungszentrum Wasser und Gesundheit der Technischen Universität Wien und ICC Water & Health, der die Studie mitverfasst hat. "Das ist einzigartig und liefert uns ein umfassendes Bild."

Zusammenhang mit Evolutionsgeschichte

Frühere Arbeiten der Forscher haben gezeigt, dass bestimmte den Darm bewohnende Archaeen vererbbar sind, ähnlich wie Augenfarbe oder Körpergröße, was darauf hindeutet, dass die menschliche Genetik die Archaeenvielfalt im Darm beeinflusst. Die Arbeit von Youngblut und seinen Forscherkollegen erweitert nun das Blickfeld auf eine bislang nicht erkannte evolutionäre Bandbreite und zeigt Beweise für eine uralte Verbindung zwischen Archaeen und Tieren. Die Forscher beweisen auch, dass eng verwandte Tierarten mehr ähnliche Archaeen beherbergen und dass bestimmte spezifische Archaeen wahrscheinlich in den Därmen der ersten Wirbeltiere bereits vorhanden waren. Im Gegensatz dazu hatten dieselben Forscher zuvor gezeigt, dass die Ernährung ein wichtigerer Faktor für die bakterielle Vielfalt im Wirbeltierdarm ist.

Besseres Verständnis über die Koevolution von Mikroben

Nicholas Youngblut, Gruppenleiter in der von Ruth Ley geleiteten Abteilung für Mikrobiomforschung am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, beschäftigt sich mit Fragen zur Ökologie und Evolution von wirtsassoziierten Methanogenen, d. h. Methan produzierenden Archaeen. Die in Nature Microbiology veröffentlichte Studie steht in direktem Zusammenhang mit seinen Fragen nach einer gemeinsamen Evolutionsgeschichte von Mensch und Darmmikroben und dem Potenzial für Koevolution.

Sein Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis, wie sich die Darmmikroben an die Darmumgebung angepasst haben und welche Auswirkungen dies auch auf die Gesundheit des Wirts hat. Dazu gehören Projekte, die sich mit der Frage befassen, wie die Evolutionsgeschichte und die Ökologie von Wirbeltieren die Variationen in der mikrobiellen Gemeinschaft des Darms erklären. Auch befasst sich Youngblut mit Fragen zur Ökologie und Evolution von Methanogenen im menschlichen Darm. Dabei nutzt er eine Kombination aus molekularbiologischen und bioinformatischen Methoden.

Über das Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Das Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie beschäftigt sich mit der Grundlagenforschung in der modernen Biologie, die von Erkenntnissen über molekulare Mechanismen zellulärer Prozesse in Organismen bis hin zu Vorhersagen über die Folgen des globalen Klimawandels reicht. Dabei nutzen Forscherinnen und Forscher Ansätze aus der Biochemie, der Zell- und Entwicklungsbiologie, der evolutionären und ökologischen Genetik, der funktionellen Genomik und der computergestützten Biologie.

Das Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie gehört zu den 86 Einrichtungen der Max-Planck-Gesellschaft, die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Natur-, Lebens- und Geisteswissenschaften betreiben. Seit der Gründung im Jahr 1948 sind aus ihren Reihen 20 Nobelpreisträger hervorgegangen. Die Max-Planck-Gesellschaft ist das internationale Aushängeschild der deutschen Wissenschaft - neben fünf Auslandsinstituten betreibt sie 20 Max-Planck-Centers mit Partnern wie der Princeton University in den USA, der Sciences Po University in Paris, dem University College London und der University of Tokyo in Japan.
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Über das Interuniversitäre Kooperationszentrum für Wasser & Gesundheit

Das Interuniversitäre Kooperationszentrum für Wasser & Gesundheit (ICC Water & Health) versteht sich als wissenschaftliche Plattform und kompetenter Partner in Fragen der Wasserqualität und deren Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Die Plattform wurde 2010 von der Technischen Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien gegründet und konnte dank einer kompetitiven Forschungsförderung des Bundesministeriums für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft (BMWFW) nachhaltig etabliert werden. Im Jahr 2017 wurde das ICC Water & Health um die Karl Landsteiner Privatuniversität für Gesundheitswissenschaften (KL) erweitert. Die KL ist nun ein offizieller Teil der Forschungsplattform.
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Originalveröffentlichung:

N. Youngblut et al., Vertebrate host phylogeny influences gut archaeal diversity, Nature Microbiology (2021).

Siehe auch:

N. Youngblut et al., Host diet and evolutionary history explain different aspects of gut microbiome diversity among vertebrate clades, Nature Communications (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10191-3

Wissenschaftliche Kontakte:
Nicholas Youngblut, PhD
Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie
Abteilung für Mikrobiomforschung
eMail: nicholas.youngblut(at)tuebingen.mpg.de
Telefon: +49 7071 601-1348

Dr. Georg Reischer
Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften
Technische Universität Wien
E-Mail: georg.reischer(at)tuwien.ac.at
Telefon: +43 1 58801-166556