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1 Mit den Meeren leben – ein Bericht über den Zustand der Weltmeere

Meerestiere als Modellorganismen

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Der Körper und seine Bakterien – ein fein abgestimmtes Miteinander

Höhere Lebewesen und Bakterien stehen in ständigem Kontakt miteinander. Zum einen wirken Bakterien als Krankheitserreger, zum anderen fungieren sie als Sym­bionten, die zum Teil lebenswichtige Funktionen übernehmen. Der Darm beispielsweise wird von einer kom­plizierten und dynamischen Gemeinschaft von Mikroorganismen besiedelt, die eine ganze Reihe von Stoffwechselfunktionen unterstützt. Er wird von der Geburt an nach und nach von Bakterien besiedelt. Diese Kolonisierung setzt sich bis in die frühen Lebensphasen fort, bis sich schließlich eine Darmflora gebildet hat, die für jedes Individuum spezifisch ist. Wie das Darmepithel, die äußere Zellschicht im Darm, mit den Mikroorganismen inter­agiert, wie der Körper zwischen nützlichen Bakterien und potenziellen Krankheitserregern unterscheidet und welchen Einfluss die Bakterien auf die Stoffwechselvorgänge und Leistungsfähigkeit des menschlichen Darmepithels haben, ist weitgehend ungeklärt. Möglicherweise können hier Untersuchungen an Cnidaria weiterhelfen. Auch deren Epithel, die Körperoberfläche, wird von einer komplexen und dynamischen Mikroorganismen-Gemeinschaft kolonisiert. Untersuchungen am Süßwasserpolypen Hydra haben gezeigt, dass sich die Individuen verschiedener Hydra-Spezies beträchtlich in der Zusammensetzung ihrer Mikrofauna unterscheiden.
Andererseits haben Individuen, die für viele Jahre unter kontrollierten Laborbedingungen gehalten werden, und Individuen derselben Spezies, die man frisch aus ihrem natürlichen Lebensraum gefischt hat, sehr ähnliche bakterielle Zusammensetzungen. Das bedeutet, dass die kolonisierenden Bakterien den Hydra-Individuen lange treu sind. Sie sind permanente Bewohner des Epithels. Die Ergebnisse legen nahe, dass starke Selektionszwänge auf das Epithel wirken. Offenbar etablieren sich unter bestimmten Lebensbedingungen bestimmte Bakteriengemeinschaften auf den Epithelien, die für den Lebensraum optimal sind und lange Zeit konstant bleiben. Diese Beob­achtungen legen ferner nahe, dass das Epithel aktiv die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft formt.
Entfernt man bei Säugetieren oder Wirbellosen den Bakterienaufwuchs, werden sie in der Regel krank. Der Stoffwechsel wird gestört und das Immunsystem entwickelt sich nur schlecht. Besonders stark sind die Störungen im Verdauungstrakt. Zudem können sich die Tiere kaum mehr gegen Infektionen durch krank machende Bakterien und Viren wehren. Bekannt ist auch, dass bestimmte genetische Defekte im Immunsystem des Menschen das Zusammenwirken des Epithels mit seinen kolonisierenden Mikroben stören können. Betroffene sind meist anfällig für entzündliche Erkrankungen der Barriereorgane wie der Haut oder der Lunge, die eine Grenzfläche zur Außenwelt sind. Obwohl man keine eindeutigen immunbiologischen Erklärungen für die Wirkung der Mikroben hat, ist klar, dass symbiotische Bakterien aktiv an der Balance zwischen Gesundheit und Krankheit beteiligt sind.
Bakterien sind für viele Organismen also essenziell. Der Tintenfisch Euprymna scolopes zum Beispiel entwickelt während seines Wachstums auf der Hautoberfläche Lichtorgane für Biolumineszenz. Wie ein Glühwürmchen ist der Tintenfisch also in der Lage, durch eine biochemische Reaktion Lichtpulse zu erzeugen. Die Lichtorgane können aber nur dann wachsen, wenn das Epithel des Tintenfischs von dem Bakterium Vibrio fischeri bewohnt wird, das zur Entwicklung des Lichtorgans einen bestimmten Bestandteil aus seiner Bakterienwand beisteuert. Ganz offensichtlich wird bei Wirbeltieren und Wirbellosen also sowohl die körperliche Entwicklung als auch das Immunsystem erheblich von den kolonisierenden Mikroorga­nismen beeinflusst. Der Einfluss der Bakterien auf die Immunfunktionen und die Mechanismen, die die komplexen Interaktionen zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften und den Tieren regulieren, sind bislang aber kaum verstanden. Ungeklärt ist auch, wie der Stoffwechsel im Epithel die Zusammensetzung der symbiontischen Bakteriengemeinschaft beeinflusst. In ersten Experimen­ten am Polypen Hydra konnte man zeigen, dass Veränderungen an den Zellen die Bakterienflora tatsächlich deutlich verändern. Entfernte man aus dem Gewebe einen bestimmten Zelltyp, änderte sich die bakterielle Zusammensetzung auf der Hydra-Oberfläche deutlich. Die Zahl der normalerweise vorherrschenden Proteobacteria nahm deutlich ab. Die eher selten vorkommenden Bakterien vom Typ Bacteroidetes vermehrten sich hingegen stark. Offensichtlich gibt es tatsächlich eine direkte Interaktion zwischen dem Wirtsepithel und den Mikroben

Zusatzinfo Mehr als die Summe seiner Teile – der Holobiont

Krankheiten des Menschen neu verstehen

Viele moderne Krankheiten des Menschen entstehen durch Störungen der Barriere zwischen Körper und Außenwelt. Hierzu gehören chronisch-entzündliche Erkrankungen der Barriereorgane, also von Organen, die im Kontakt mit der Außenwelt stehen – der Haut, der Lunge oder dem Darm, der mit Speisen von außen gefüttert wird. Beispiele sind das Asthma bronchiale (Lunge), die Schuppenflechte und die Neurodermitis (Haut) sowie die chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen, der Morbus Crohn und Colitis ulcerosa (Darm). Bei Tieren sind diese Krankheiten interessanterweise gänzlich unbekannt. Systematische genetische Untersuchungen haben gezeigt, dass viele solcher Erkrankungen durch sogenannte Risikogene ausgelöst werden, die evolutionär uralt sind. Das ist paradox, da derartige Erkrankungen erst in den vergangenen Jahren vor allem in den westlichen Industrienationen stark angestiegen sind. Allen Krankheiten ist gemein, dass das Immunsystem des Menschen an den Grenzflächen zur Umwelt aus dem Ruder läuft und körpereigene Strukturen angreift. Neuere Technologien haben es ermöglicht, einzelne gestörte Elemente auf der molekularen Landkarte der Erkrankungen aufzuzeichnen. Diese Einzelbausteine müssen jetzt zu einem Gesamtmodell zusammengesetzt werden, um die Mechanismen zu verstehen, die zu einem fehlgesteuerten Immunsystem führen.
Aktuelle Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass an der Fehlsteuerung des Immunsystems viele Gene beteiligt sind, die die entwicklungsgeschichtlich alten Formen der immunologischen Auseinandersetzung mit der Um­­welt, wie zum Beispiel mit der umgebenden mikrobiellen Flora, steuern. Eine Frage ist, wie im Laufe der Evolution genetische Variabilität in jenen Genen entstehen konnte, die die Ei­gen­­schaften der Barriere bestimmen. Wie verändern schwankende Nahrungsbedingungen oder eine andere Mikroflora im Wasser die genetische Variabilität der Bar­rie­re? Wie beeinflussen solche Veränderungen die evolutionäre Fitness von Organismen, also die Wahrscheinlichkeit, dass sich seine Gene in der Evolution durchsetzen? Versteht man die Vorgänge auf der Oberfläche der Meeres­tiere, so kann man künftig möglicherweise besser nachvollziehen, wie Erkrankungen der Barriereorgane beim Menschen entstehen. Hat man erst einmal die Evolution und Funktion der Barrieregene enträtselt, lassen sich vielleicht sogar neue Strategien zur Behandlung dieser Krankheiten oder zur Prävention finden. In den vergangenen Jahrzehnten hat man an ausgewählten Modellorganismen wie der Maus oder der Fruchtfliege Drosophila melanogas­t­er viel darüber gelernt, wie die Auslöser von Krankheiten erkannt und bekämpft werden. Warum die Außenhaut eines jeden Organismus von Mikroben besiedelt wird und wie diese Mikroben mit dem Wirt interagieren, weiß man bis heute aber nicht. Textende
9.13 > Der Polyp Hydra gehört zu den Nesseltieren und ist ein idealer Modell-organismus. Er ist robust und regeneriert sich schnell. Zudem ist seine Vermehrung unkompliziert. Nachkommen entstehen unter anderem durch Bildung rundlicher Polypen-Knospen am Stamm des alten Tiers.
9.13 > Der Polyp Hydra gehört zu den Nesseltieren und ist ein idealer Modell-organismus. Er ist robust und regeneriert sich schnell. Zudem ist seine Vermehrung unkompliziert. Nachkommen entstehen unter anderem durch Bildung rundlicher Polypen-Knospen am Stamm des alten Tiers. Abb. 9.13: © NAS/M. I. Walker/OKAPIA
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