Darmbakterien geben ein Pilz-Antioxidans weiter, um die anaerobe Energieproduktion zu steigern

Der menschliche Darm ist eine sauerstoffarme Umgebung, in der Bakterien auf alternative Strategien zur Energiegewinnung angewiesen sind. Ein bekannter Mechanismus ist das mikrobielle Cross-Feeding, bei dem einige Bakterien Nahrungsbestandteile in Elektronenakzeptoren umwandeln, die benachbarte Bakterien für die anaerobe Atmung nutzen. Diese Studie enthüllt einen bisher unbekannten Cross-Feeding-Stoffwechselweg, der auf Ergothionein (EGT) basiert – einem schwefelhaltigen Antioxidans, das reichlich in Pilzen und fermentierten Lebensmitteln vorkommt.

Mithilfe von LC-MS-Metabolomics identifizierten die Forscher, dass <em>Clostridium symbiosum</em> – ein häufiges kommensales Darmbakterium des Menschen – Ergothionase-Enzyme (CLOSYM_01531 und CLOSYM_03165) kodiert, die EGT in Trimethylamin (TMA) und Thiourocaninsäure (TUA) spalten. Die heterologe Expression dieser Enzyme in <em>E. coli</em> bestätigte ihre Ausreichendheit für diese katalytische Aktivität. Eine phylogenomische Suche in der Genome Taxonomy Database ergab, dass Ergothionase-Homologe in Clostridia, Bacilli und Gammaproteobacteria weit verbreitet sind, bei Bacteroidia jedoch fehlen – was eine taxonomische Trennlinie zwischen EGT-Abbauern und potenziellen TUA-Verbrauchern begründet.

Versuche mit fäkalen Gemeinschaften von drei Mauslieferanten-Stämmen zeigten lieferantenspezifische Unterschiede im EGT-Stoffwechsel: Charles River (CR)-Gemeinschaften wandelten EGT vollständig in ein reduziertes TUA-Derivat um – 3-(2-Thion-imidazol-4-yl)-Propionsäure –, während Taconic-Gemeinschaften TUA, aber nicht das reduzierte Produkt erzeugten, und Jackson Laboratory-Gemeinschaften einen minimalen EGT-Stoffwechsel aufwiesen. Die Forscher identifizierten <em>Bacteroides xylanisolvens</em> DSM 18836 und <em>B. ovatus</em> ATCC 8483 als fähig, TUA zu reduzieren, und vervollständigten damit den zweistufigen Cross-Feeding-Stoffwechselweg. Die TUA-Reduktion durch <em>B. xylanisolvens</em> bewirkte unter anaeroben Bedingungen einen etwa 4-fachen Anstieg der ATP-Synthese und ein verbessertes Bakterienwachstum, selbst in Minimalmedium ohne andere Elektronenakzeptoren – was die Rolle von TUA als respiratorischer Elektronenakzeptor belegt.

Co-Kultur-Experimente bestätigten echtes Cross-Feeding: <em>C. symbiosum</em> lieferte TUA an <em>B. xylanisolvens</em>, das dieses dann zum Propionsäure-Derivat reduzierte, wodurch das Wachstum von <em>B. xylanisolvens</em> zunahm, ohne <em>C. symbiosum</em> zu schaden – eine kommensalistische Wechselwirkung. Eine gezielte Metabolomics-Analyse menschlicher Stuhlproben zeigte, dass TUA und sein reduziertes Derivat auf donorspezifische Weise selektiv produziert und verbraucht werden, was auf eine physiologische Relevanz im menschlichen Darm hindeutet. Entscheidend ist, dass die Metagenom-Analyse zeigte, dass Ergothionase-Gene in Stuhlproben von Patienten mit kolorektalem Karzinom (CRC) im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen signifikant angereichert sind – ein Befund, der mit zunehmenden Daten übereinstimmt, die eine gestörte intestinale EGT-Homöostase mit dem CRC-Risiko verknüpfen.

Diese Erkenntnisse begründen ein neues Paradigma: Nahrungsantioxidantien wie EGT werden nicht lediglich passiv absorbiert, sondern können von Darmbakterien aktiv in metabolische Intermediate umgewandelt werden, die den Energiestoffwechsel in mikrobiellen Gemeinschaften prägen. Diese Arbeit hat Implikationen für das Verständnis, wie Ernährung, Mikrobiom-Zusammensetzung und Krankheitsrisiko zusammenwirken, und wirft die Möglichkeit auf, dass der Verzehr von Pilzen oder EGT die mikrobielle Dynamik im Darm auf krankheitsrelevante Weise modulieren könnte.