Cross-Feeding: wie viele Bakterien eine Faser gemeinsam zerlegen

Gesunder Zustand

Ein Ballaststoff ist selten eine einfache Kette. Die Zellwand einer Pflanze ist ein Geflecht aus Zellulose, Hemizellulosen wie Xylan und Pektinen, mit Seitenketten, Verzweigungen und vielen verschiedenen Bindungen zwischen den Zuckerbausteinen. Für jede Bindungsart braucht es ein passendes Enzym. Der Mensch kann im Dünndarm fast nur Stärke und einfache Zucker spalten, den Rest übernehmen Darmbakterien. Sie teilen sich die Arbeit in Stufen: Erstzerleger brechen die großen Ketten auf, Zweitverwerter vergären die Bruchstücke zu Acetat, Laktat, Succinat und Wasserstoff, und Endverwerter machen daraus Butyrat Butyrat Eine kurzkettige Fettsäure und die wichtigste Energiequelle der Zellen der Dickdarmwand. Sie stärkt die Barriere und dämpft Entzündungen. Mehr im Kapitel „Butyrat und andere kurzkettige Fettsäuren“, Propionat oder Methan. Diese Weitergabe heißt Cross-Feeding. Welche Schlüsselarten wo sitzen und womit man sie füttert, steht im Kapitel zu den Schlüsselbakterien.

Viele Bacteroides tragen für jede Faserart einen eigenen Werkzeugsatz im Erbgut, einen sogenannten Polysaccharid-Verwertungsort. Dazu gehören ein Sensor, der das Futter erkennt, Bindeproteine und Enzyme an der Zelloberfläche und eine Pforte, durch die die Bruchstücke ins Innere gelangen. Der Satz wird eingeschaltet, wenn das passende Futter ankommt. Welche Sätze eine Art besitzt, entscheidet, was sie fressen kann: Bei Fruktanen unterschieden sich nah verwandte Bacteroides-Arten genau darin, und das sagte bei Mäusen voraus, welche Art sich unter fruktanreichem Futter durchsetzte.

Wie weit ein einzelnes Bakterium kommen kann, zeigt Rhamnogalacturonan-II, ein Pektinbaustein aus pflanzlichen Zellwänden und das am kompliziertesten gebaute Kohlenhydrat, das man kennt. Es enthält 21 verschiedene Bindungen. Bacteroides thetaiotaomicron spaltet 20 davon allein, mit Enzymfamilien, die vorher unbekannt waren, und in einer abgestimmten Reihenfolge, weil manche Bindungen erst zugänglich werden, wenn Seitenketten entfernt sind. Andere Fasern brauchen Spezialisten, die nicht jeder hat: Bakterien, die kristalline Zellulose abbauen, fanden sich in einer französischen Studie vor allem bei Menschen, die Methan bilden; bei den übrigen übernahmen Bacteroidetes den Abbau von Zellwänden aus Spinat. Ruminococcus bromii wiederum hat sich auf Stärke spezialisiert: 15 seiner 21 Spaltenzyme gehören zu einer einzigen Stärke-Familie, und er ordnet sie an seiner Oberfläche zu Komplexen an, sogenannten Amylosomen.

Beim Zerlegen fällt für andere etwas ab, und das ist oft kein Zufall. Bei Bacteroides arbeiten manche Enzyme außerhalb der Zelle oder werden in kleinen Membranbläschen verschickt. Die freigesetzten Bruchstücke ernähren Arten, die die ganze Faser allein nicht nutzen könnten. Bacteroides ovatus zerlegt Inulin sogar auf eigene Kosten außerhalb der Zelle und füttert damit Bacteroides vulgatus; bei Mäusen lohnte sich das für ihn, weil er im Gegenzug Vorteile bekam. Bei Xylan aus Getreide teilen sich Roseburia intestinalis und Bacteroides das Futter, weil sie unterschiedlich große Bruchstücke bevorzugen: Roseburia nimmt am liebsten Stücke aus vier bis fünf Bausteinen auf. Und Bifidobacterium bifidum zerlegt Muttermilch-Zucker so, dass andere Bifidobakterien mitessen.

Die zweite Ebene des Cross-Feedings sind die Abfälle der Vergärung. Faecalibacterium und Roseburia nehmen beim Bilden von Butyrat Acetat auf, das andere abgegeben haben. Anaerobutyricum hallii verwertet Laktat und baut außerdem 1,2-Propandiol, ein Abbauprodukt bestimmter Zucker, zu Propionat um; dafür bildet es selbst Vitamin B12 und fand sich im Stuhl von drei Vierteln der untersuchten Erwachsenen. Wasserstoff, der bei fast jeder Vergärung entsteht, nehmen drei Gruppen ab: Sulfatreduzierer machen daraus Schwefelwasserstoff, methanbildende Archaeen Methan und acetogene Bakterien Acetat. Alle drei kommen im menschlichen Darm nebeneinander vor.

Auch der Schleim der Darmwand wird geteilt. Akkermansia muciniphila Akkermansia Ein Darmbakterium, das vom Schleim der Darmwand lebt und dessen Erneuerung anregt. Viel davon geht in Studien oft mit gutem Stoffwechsel einher. Mehr im Kapitel „Die Schleimschicht und Zusatzstoffe“ zerlegt die Zuckerketten des Schleims und gibt Zucker und Acetat frei. In Mischkulturen wuchsen damit Faecalibacterium, Anaerostipes und Anaerobutyricum hallii, die selbst keinen Schleim abbauen, und bildeten Butyrat. Umgekehrt lieferte A. hallii eine Form von Vitamin B12, mit der Akkermansia Propionat bilden konnte. So kann direkt an der Darmwand Butyrat entstehen, auch wenn gerade keine Ballaststoffe ankommen; gezeigt ist das bisher nur im Labor.

Gestörter Zustand: Ursachen und Folgen

Fällt ein Glied der Kette aus, bleiben Zwischenprodukte liegen. Im gesunden Dickdarm bleibt Laktat niedrig, weil Laktatverwerter es zu Butyrat und Propionat umbauen. Bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen Chronisch-entzündliche Darmerkrankung Sammelbegriff für Morbus Crohn und Colitis ulcerosa: dauerhafte, in Schüben verlaufende Entzündungen des Darms, die ärztlich behandelt werden müssen. Mehr im Kapitel „Immunsystem und Entzündung“ kann es sich dagegen stark anreichern. In einem Labormodell der menschlichen Darmflora Mikrobiom, Darmflora Die Gemeinschaft aller Mikroben im Darm, vor allem Bakterien, dazu Viren, Pilze und Archaeen. Die meisten leben im Dickdarm. Mehr im Kapitel „Mikrobielle Vielfalt aufbauen“ staute sich zugeführtes Laktat vor allem bei einem sauren pH-Wert von 5,5 an, Butyrat und Propionat sanken, und die Zusammensetzung verschob sich. Gemeinschaften mit wenigen Laktatverwertern waren von vornherein weniger stabil.

Wer den Wasserstoff abnimmt, entscheidet über das Gas. Überwiegen Methanbildner oder Sulfatreduzierer, entstehen mehr Methan oder Schwefelwasserstoff statt Acetat. Beide werden zunehmend mit Reizdarm Reizdarmsyndrom Wiederkehrende Bauchschmerzen, die mit dem Stuhlgang zusammenhängen, ohne dass Untersuchungen eine andere Ursache finden. Heute als Störung der Darm-Hirn-Verbindung verstanden. Mehr im Kapitel „Die Darm-Hirn-Achse“ in Verbindung gebracht, und Methan im Atemtest Atemtest Nach dem Trinken einer Zuckerlösung wird mehrmals Wasserstoff und Methan in der Atemluft gemessen. So lassen sich Zucker-Unverträglichkeiten und Hinweise auf eine Dünndarmfehlbesiedlung erkennen. Mehr im Kapitel „Darmtests: was sie aussagen und was nicht“ geht häufiger mit Verstopfung einher. Was die Balance zwischen den drei Wasserstoff-Abnehmern bestimmt, ist noch nicht geklärt. Mehr dazu im Kapitel zu Schwefelwasserstoff und Methan.

Teilen lässt sich ausnutzen. Arten, die nur Bruchstücke abgreifen, wuchsen im Labor unter Umständen schneller als die Erstzerleger, die die Arbeit machten. Manche Erstzerleger teilen deshalb wenig: Bacteroides thetaiotaomicron arbeitet bei Hefe-Mannan, dem Zellwandzucker von Back- und Bierhefe, ausgesprochen egoistisch. Es schneidet an der Oberfläche nur grob vor und zieht die großen Stücke nach innen, sodass für andere kaum etwas übrig bleibt. Ob eine Faser viele Arten ernährt oder wenige, hängt also auch davon ab, wer sie zuerst erwischt.

Fehlt der Spezialist, bleibt die Faser liegen. Ohne Ruminococcus bromii wird resistente Stärke kaum vergoren, und kristalline Zellulose können nur wenige Arten abbauen, die nicht jeder trägt. Arten können durch ballaststoffarme Kost über Generationen verloren gehen. Wer auf eine Faser kaum reagiert, hat deshalb womöglich eine Kette, der ein Glied fehlt; sicher feststellen lässt sich das bisher nicht.

Eine ehrliche Einschränkung: Fast alles in diesem Kapitel stammt aus Reinkulturen, Mischkulturen weniger Arten, Labormodellen und keimfreien Mäusen. Wie diese Netzwerke im menschlichen Dickdarm mit Hunderten Arten tatsächlich laufen, ist weitgehend ungemessen, und kein Stuhltest kann es heute abbilden. Gesichert ist das Prinzip, nicht die Einzelheiten für einen bestimmten Menschen.