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Neue Funktionen im Darm-Mikrobiom entdeckt, PI Nr. 38/2021

Neue Funktionen im Darm-Mikrobiom entdeckt, PI Nr. 38/2021
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Neue Funktionen im Darm-Mikrobiom entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universitäten Konstanz und Wien kommt zum Ergebnis: Ein Schwefelzucker aus grünem Gemüse fördert das Wachstum wichtiger Darmbakterien

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Ein internationales Team aus Wissenschaftler*innen um die Mikrobiologen Prof. Dr. Alexander Loy von der Universität Wien und Prof. Dr. David Schleheck von der Universität Konstanz hat neue metabolische Fähigkeiten von Darmbakterien entschlüsselt. Die Forscher*innen haben erstmals analysiert, wie Mikroben im Darm den pflanzlichen Schwefelzucker Sulfoquinovose verarbeiten. Sulfoquinovose steckt in allen grünen Gemüsesorten wie Spinat und Salat. Die Studie ergab, dass spezialisierte Bakterien bei der Verwertung des Schwefelzuckers kooperieren und dabei Schwefelwasserstoff produzieren. Dieses Gas – bekannt für seinen Geruch nach faulen Eiern – hat ambivalente Effekte auf die Gesundheit: In niedriger Konzentration wirkt es entzündungshemmend. Große Mengen Schwefelwasserstoff im Darm werden wiederum mit Erkrankungen wie Krebs in Verbindung gebracht. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „The ISME Journal“ erschienen.

Ernährung und Darm-Mikrobiom

Mit dem Verzehr einer einzigen Gemüsesorte wie Spinat gelangen hunderte chemischer Komponenten in unseren Verdauungstrakt. Dort werden sie vom Darm-Mikrobiom, einer einzigartigen Ansammlung hunderter Mikrobenarten, weiter umgesetzt. Das Mikrobiom im Darm bestimmt damit wesentlich mit, wie sich Ernährung auf unsere Gesundheit auswirkt. „Bisher sind die metabolischen Fähigkeiten vieler dieser Mikroorganismen des Mikrobioms aber noch unbekannt. Das heißt, wir wissen nicht, welche Stoffe sie nähren und wie sie diese weiterverarbeiten“, erklärt Dr. Buck Hanson, Erstautor der Studie und Mikrobiologe am Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft der Universität Wien. „Indem wir erstmals den mikrobiellen Stoffwechsel des Schwefelzuckers Sulfoquinovose im Darm erforscht haben, können wir mehr Licht in diese Blackbox bringen“, fügt er hinzu. Die Studie generiert damit Wissen, das notwendig ist, um die Wechselwirkungen zwischen Ernährung und Mikrobiom in Zukunft therapeutisch gezielt beeinflussen zu können.

Schwefelzucker aus grünen Pflanzen und Algen

Sulfoquinovose (Sulfoglukose) ist ein Schwefelzucker, der als chemischer Baustein vor allem in grünem Gemüse wie Spinat, Salat und in Algen zu finden ist. Aus vorhergehenden Studien der Arbeitsgruppe um den Mikrobiologen David Schleheck an der Universität Konstanz war bekannt, dass andere Mikroorganismen den Schwefelzucker prinzipiell als Nährstoff nutzen können. In ihrer aktuellen Studie ermittelten die Forscher*innen der Universitäten Konstanz und Wien über Analysen von Stuhlproben, wie diese Prozesse spezifisch im menschlichen Darm ablaufen. „Wir konnten nun zeigen, dass die Sulfoquinovose anders als beispielsweise Glukose, die eine Vielzahl von Mikroorganismen im Darm ernährt, das Wachstum ganz spezifischer Schlüsselorganismen im Darm-Mikrobiom stimuliert“, sagt David Schleheck. Zu diesen Schlüsselorganismen zähle das Bakterium der Art Eubacterium rectale, das zu den zehn häufigsten Darmmikroben bei gesunden Menschen gehöre. „Die E. rectale-Bakterien fermentieren Sulfoquinovose über einen von uns erst kürzlich entschlüsselten Stoffwechselweg und produzieren dabei unter anderem eine Schwefelverbindung, Dihydroxypropansulfonat oder kurz DHPS, welche wiederum anderen Darmbakterien wie Bilophila wadsworthia als Energiequelle dient. Bilophila wadsworthia produziert aus DHPS letztendlich Schwefelwasserstoff über einen ebenfalls erst kürzlich entdeckten Stoffwechselweg“, erläutert der Mikrobiologe.

Eine Frage der Dosis: Schwefelwasserstoff im Darm

Schwefelwasserstoff wird im Darm sowohl von unseren eigenen Körperzellen als auch von spezialisierten Mikroorganismen hergestellt und hat vielfältige Auswirkungen auf unseren Körper. „Dieses Gas ist ein janusköpfiges Stoffwechselprodukt“, erklärt Alexander Loy, Leiter der Arbeitsgruppe an der Universität Wien. „Nach aktuellem Wissensstand kann es positiv, aber auch negativ auf die Darmgesundheit wirken.“ Entscheidend sei die Dosis: In niedriger Menge kann Schwefelwasserstoff unter anderem eine entzündungshemmende Wirkung auf die Darmschleimhaut haben. Vermehrte Schwefelwasserstoffproduktion durch Darmmikroben ist hingegen mit chronisch entzündlichen Erkrankungen und Krebs assoziiert. Bislang waren hauptsächlich Sulfat und Taurin, das in Folge einer fleisch- oder fettreichen Ernährung vermehrt im Darm vorkommt, als Schwefelwasserstoffquelle für Mikroorganismen bekannt. Die Entdeckung, dass Sulfoquinovose aus grünen Nahrungsmitteln wie Spinat und Algen ebenfalls zur Produktion des Gases im Darm beiträgt, komme daher überraschend.

„Wir haben gezeigt, dass wir über die Sulfoquinovose das Wachstum ganz bestimmter Darmbakterien, die ein wichtiger Baustein unseres Darm-Mikrobioms sind, fördern können. Wir wissen jetzt auch, dass diese Bakterien daraus wiederum den widersprüchlich wirkenden Schwefelwasserstoff produzieren“, resümiert Loy. Weitere Studien der Wissenschaftler*innen aus Konstanz und Wien sollen nun klären, ob und wie die Einnahme des pflanzlichen Schwefelzuckers gesundheitsfördernd wirken kann. „Möglicherweise könnte Sulfoquinovose auch als sogenanntes Präbiotikum eingesetzt werden“, ergänzt Schleheck. Präbiotika sind Nahrungsinhaltsstoffe oder -zusätze, die ganz spezifisch von Mikroorganismen verstoffwechselt und gezielt eingesetzt werden, um das Darm-Mikrobiom zu unterstützen.

Faktenübersicht:

  • Originalpublikation: Hanson BT, Kits KD, Löffler J, Burrichter A, Frommeyer B, Fiedler A, Denger K, Herbold CW, Rattei T, Karcher N, Segata N, Schleheck D, and Loy A. 2021. Sulfoquinovose is a select nutrient of prominent bacteria and source of hydrogen sulfide in the human gut. ISME Journal. DOI: 10.1038/s41396-021-00968-0
  • Studie zeigt, dass der Schwefelzucker Sulfoquinovose aus grünem Gemüse das Wachstum wichtiger Darmbakterien fördert
  • Spezialisierte Bakterien kooperieren bei der Verwertung des Schwefelzuckers Sulfoquinovose, wobei Schwefelwasserstoff produziert wird, der in niedriger Konzentration entzündungshemmend wirkt und in größeren Mengen mit Erkrankungen wie Krebs in Verbindung gebracht wird
  • Gemeinsame Studie der Universitäten Konstanz und Wien mit Beteiligung der Arbeitsgruppen der Mikrobiologen Prof. Dr. David Schleheck von der Universität Konstanz und Prof. Dr. Alexander Loy von der Universität Wien
  • Die Arbeiten in der Gruppe von David Schleheck an der Universität Konstanz wurden durch die Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert
  • Weitere Publikation: Frommeyer B, Fiedler AW, Oehler SR, Hanson BT, Loy A, Franchini P, Spiteller D, and Schleheck D. 2020. Environmental and intestinal phylum Firmicutes bacteria metabolize the plant sugar sulfoquinovose via a 6-deoxy-6-sulfofructose transaldolase pathway. iScience. 101510. DOI: 10.1016/j.isci.2020.101510
  • Weiterführende Links: Forschungsgruppe von David Schleheck, Universität Konstanz: https://www.biologie.uni-konstanz.de/schleheck Forschungsgruppe von Alexander Loy, Universität Wien: http://www.microbial-ecology.net/people/alexander-loy

Hinweis an die Redaktionen:

Ein Bild kann im Folgenden heruntergeladen werden:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021/neue_funktionen_im_darm-mikrobiom_entdeckt_credit_Huimin_Ye.jpg

Bildunterschrift: Schwefelwasserstoff produzierende Bakterien im Darm (in rot).

Bild: Huimin Ye

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Popeye with a whiff of rotten eggs

Joint study by the Universities of Konstanz and Vienna shows: A sulfosugar from green vegetables promotes the growth of important gut bacteria

An international team of scientists led by microbiologists Professor Alexander Loy from the University of Vienna and Professor David Schleheck from the University of Konstanz has uncovered new metabolic capabilities of gut bacteria. For the first time, the researchers have analyzed how microbes in the gut process the plant-based, sulfur-containing sugar sulfoquinovose. Sulfoquinovose is a sulfonic acid derivative of glucose and is found in all green vegetables such as spinach and lettuce. Their study discovered that specialized bacteria cooperate in the utilization of the sulfosugar, producing hydrogen sulfide. This gas - known for its rotten egg smell – has disparate effects on human health: at low concentrations, it has an anti-inflammatory effect, while increased amounts of hydrogen sulfide in the intestine, in turn, are associated with diseases such as cancer. The study has been published in the current issue of “The ISME Journal”.

Diet and the gut microbiome

With the consumption of a single type of vegetable such as spinach, hundreds of chemical components enter our digestive tract. There, they are further metabolized by the gut microbiome, a unique collection of hundreds of microbial species. The gut microbiome thus plays a major role in determining how nutrition affects our health. “So far, however, the metabolic capabilities of many of these microorganisms in the microbiome are still unknown. That means we don't know what substances they feed on and how they process them,” explains Buck Hanson, lead author of the study and a microbiologist at the Center for Microbiology and Environmental Systems Science (CMESS) at the University of Vienna. “By exploring the microbial metabolism of the sulfosugar sulfoquinovose in the gut for the first time, we have shed some light into this black box,” he adds. The study thus generates knowledge that is necessary to therapeutically target the interactions between nutrition and the microbiome in the future.

Sulfosugars from green plants and algae

Sulfoquinovose is a sulfonic acid derivative of glucose and is found as a chemical building block primarily in green vegetables such as spinach, lettuce, and in algae. From previous studies by the research group led by microbiologist David Schleheck at the University of Konstanz, it was known that other microorganisms can in principle use the sulfosugar as a nutrient. In their current study, the researchers from the Universities of Konstanz and Vienna used analyses of stool samples to determine how these processes specifically take place in the human intestine. “We have now been able to show that, unlike glucose, for example, which feeds a large number of microorganisms in the gut, sulfoquinovose stimulates the growth of very specific key organisms in the gut microbiome,” says David Schleheck. These key organisms include the bacterium of the species Eubacterium rectale, which is one of the ten most common gut microbes in healthy people. “The E. rectale bacteria ferment sulfoquinovose via a metabolic pathway that we have only recently deciphered, producing, among other things, a sulfur compound, dihydroxypropane sulfonate or DHPS for short, which in turn serves as an energy source for other intestinal bacteria such as Bilophila wadsworthia. Bilophila wadsworthia ultimately produces hydrogen sulfide from DHPS via a metabolic pathway that was also only recently discovered,” explains the microbiologist.

A question of dose: hydrogen sulfide in the intestine

Hydrogen sulfide is produced in the intestine by our own body cells as well as by specialized microorganisms and has a variety of effects on our body. “This gas is a Janus-faced metabolic product,” explains Alexander Loy, head of the research group at the University of Vienna. “According to current knowledge, it can have a positive but also a negative effect on intestinal health.” A decisive factor, he says, is the dose: In low amounts, hydrogen sulfide can have an anti-inflammatory effect on the intestinal mucosa, among other things. Increased hydrogen sulfide production by gut microbes, on the other hand, is associated with chronic inflammatory diseases and cancer. Until now, mainly sulfate and taurine, which are found in increased amounts in the intestine as a result of a diet rich in meat or fat, were known to be sources of hydrogen sulfide for microorganisms. The discovery that sulfoquinovose from green foods such as spinach and algae also contribute to the production of the gas in the gut therefore comes as a surprise.

“We have shown that we can use sulfoquinovose to promote the growth of very specific gut bacteria that are an important component of our gut microbiome. We now also know that these bacteria in turn produce the contradictory hydrogen sulfide from it,” Loy sums up. Further studies by the scientists from Konstanz and Vienna will now clarify whether and how the intake of the plant-based sulfosugar can have a health-promoting effect. “It is also possible that sulfoquinovose could be used as a so-called prebiotic,” adds Schleheck. Prebiotics are food ingredients or additives that are metabolized by specific microorganisms and used to explicitly support the intestinal microbiome.

Key facts:

  • Original publication: Hanson BT, Kits KD, Löffler J, Burrichter A, Frommeyer B, Fiedler A, Denger K, Herbold CW, Rattei T, Karcher N, Segata N, Schleheck D, and Loy A. 2021. Sulfoquinovose is a select nutrient of prominent bacteria and source of hydrogen sulfide in the human gut. ISME Journal. DOI: 10.1038/s41396-021-00968-0
  • Study shows that the sulfosugar sulfoquinovose from green vegetables promotes the growth of important gut bacteria
  • Specialized bacteria cooperate in the utilization of the sulfosugar sulfoquinovose, producing hydrogen sulfide, which has an anti-inflammatory effect in low concentrations, while increased amounts are associated with diseases such as cancer
  • Joint study by the Universities of Konstanz and Vienna involving the research groups led by the microbiologists Professor David Schleheck from the University of Konstanz and Professor Alexander Loy from the University of Vienna
  • The work of Professor Schleheck’s group at the University of Konstanz is funded by the German Research Foundation (DFG)
  • Further publications: Frommeyer B, Fiedler AW, Oehler SR, Hanson BT, Loy A, Franchini P, Spiteller D, and Schleheck D. 2020. Environmental and intestinal phylum Firmicutes bacteria metabolize the plant sugar sulfoquinovose via a 6-deoxy-6-sulfofructose transaldolase pathway. iScience. 101510. DOI: 10.1016/j.isci.2020.101510
  • Links: Research group of David Schleheck, University of Konstanz https://www.biologie.uni-konstanz.de/schleheck Research group of Alexander Loy, University of Vienna: http://www.microbial-ecology.net/people/alexander-loy

Note to editors:

You can download a photo here:

https://cms.uni-konstanz.de/fileadmin/pi/fileserver/2021/neue_funktionen_im_darm-mikrobiom_entdeckt_credit_Huimin_Ye.jpg

Caption: Gut section with fluorescently labelled bacteria

Copyright: Huimin Ye

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