Wie Darmbakterien ihren eigenen Lebensraum schützen – mit der Hilfe unserer Darmzellen.
Ein Ort, an dem Sauerstoff unerwünscht ist
Sauerstoff ist lebensnotwendig. Mit jedem Atemzug versorgen wir unsere Organe damit. Auch die Darmwand wird über das Blut ständig mit Sauerstoff beliefert.
Doch unmittelbar daneben, im Inneren unseres Dickdarms, herrscht eine völlig andere Welt: Hier gibt es nur sehr wenig Sauerstoff.
Für viele unserer Darmbakterien ist das überlebenswichtig. Sie gehören zu den sogenannten Anaerobiern – Mikroorganismen, die ohne Sauerstoff leben und ihn teilweise überhaupt nicht vertragen.
Aber wie kann mitten in einem gut durchbluteten Organ eine nahezu sauerstofffreie Umgebung entstehen?
Man könnte vermuten, dass die Darmwand wie eine luftdichte Trennwand funktioniert. Doch so einfach ist es nicht. Sauerstoff kann durchaus aus dem Gewebe in den Darminhalt gelangen.
2014 untersuchten Forschende um Lindsey Albenberg dieses Sauerstoffgefälle bei Mäusen. Mit speziellen Messsonden zeigten sie, dass die Sauerstoffwerte im Darminneren ausgesprochen niedrig waren. Erhöhten sie die Sauerstoffversorgung der Tiere, stiegen die Werte auch im Darm. [1]
Die Darmwand ist also keine vollkommen undurchlässige Grenze.
Die Erklärung für die Sauerstoffarmut liegt zum Teil in einem überraschenden Zusammenspiel zwischen unseren Darmzellen und ihren bakteriellen Nachbarn.
Die Bakterien liefern einen besonderen Brennstoff
Die Oberfläche unseres Dickdarms ist mit Millionen von Epithelzellen ausgekleidet. Diese sogenannten Kolonozyten bilden nicht nur eine schützende Barriere. Sie benötigen auch Energie, um ihre Aufgaben zu erfüllen.
Einen ihrer wichtigsten Brennstoffe bekommen sie von den Bakterien, die direkt neben ihnen leben: Butyrat, auch Buttersäure genannt.
Bestimmte Darmbakterien produzieren Butyrat, indem sie unverdauliche Nahrungsbestandteile wie bestimmte Ballaststoffe fermentieren.
Schon 1980 zeigte der Wissenschaftler W. E. W. Roediger in Experimenten mit isolierten menschlichen Darmzellen, dass diese Butyrat besonders intensiv zur Energiegewinnung nutzen. [2]
Das klingt zunächst nach einem einfachen Austausch: Die Bakterien liefern einen Stoff, von dem unsere Darmzellen profitieren.
Doch dahinter verbirgt sich etwas Erstaunliches.
Wie Bakterien helfen, ihren eigenen Lebensraum zu erhalten
Die Darmzellen nutzen Butyrat als Brennstoff. Dabei verbrauchen sie Sauerstoff.
Und genau dieser Sauerstoffverbrauch trägt dazu bei, dass weniger Sauerstoff aus der Darmwand in das Darminnere gelangt.
Dort wiederum leben die Bakterien, die das Butyrat produzieren – und von denen viele auf eine sauerstoffarme Umgebung angewiesen sind.
Die Bakterien liefern also einen Brennstoff, mit dessen Hilfe unsere Darmzellen die Lebensbedingungen dieser Bakterien aufrechterhalten.
Ein faszinierender Kreislauf entsteht:
Bakterien produzieren Butyrat. Darmzellen verwerten es und verbrauchen dabei Sauerstoff. Das Darminnere bleibt sauerstoffarm – und bietet damit günstige Bedingungen für zahlreiche Butyratbildner.
Niemand steuert diese Zusammenarbeit bewusst. Sie entsteht aus den Stoffwechselprozessen zweier völlig unterschiedlicher Lebensformen.
Wie Butyrat den Sauerstoffverbrauch beeinflusst
Der Schlüssel liegt in den winzigen Kraftwerken unserer Zellen: den Mitochondrien.
Sie gewinnen Energie aus Nährstoffen. Dafür nutzen sie unter anderem Sauerstoff, der am Ende der mitochondrialen Atmungskette Elektronen aufnimmt und zu Wasser reduziert wird.
Für die Zellen des Dickdarms ist Butyrat ein besonders wichtiger Brennstoff.
Wenn sie es in ihren Mitochondrien oxidieren, verbrauchen sie dabei Sauerstoff, der über die Blutgefässe zur Darmwand gelangt.
So entsteht ein Sauerstoffgefälle: Die Darmwand wird versorgt, doch auf dem Weg zum Darminneren wird bereits ein Teil des Sauerstoffs verbraucht.
Forschende um Caleb J. Kelly zeigten 2015 in Zellversuchen, dass Butyrat den Sauerstoffverbrauch des Darmepithels erhöhen kann. Blockierten sie die mitochondriale Atmung, verschwand dieser Effekt. [3]
Das bedeutet nicht, dass Butyrat allein für die Sauerstoffarmut verantwortlich ist. Auch die Gewebestruktur, die Durchblutung und der Stoffwechsel von Mikroorganismen beeinflussen die Sauerstoffverteilung.
Aber der Mechanismus zeigt etwas Grundsätzliches:
Unsere Darmzellen sind keine passive Grenze zwischen Körper und Mikrobiom. Durch ihren eigenen Stoffwechsel gestalten sie die Lebensbedingungen der Bakterien aktiv mit.
Was passiert, wenn dieser Kreislauf gestört wird?
Wie wichtig diese Zusammenarbeit sein könnte, zeigte ein Experiment aus dem Jahr 2017.
Ein Forschungsteam um Mariana Byndloss untersuchte Mäuse, deren Darmflora durch Antibiotika verändert worden war.
Die Zahl der Butyratbildner nahm ab. Dadurch stand den Darmzellen weniger Butyrat zur Verfügung.
Ihr Energiestoffwechsel veränderte sich: Statt verstärkt auf die sauerstoffverbrauchende Verwertung von Butyrat zu setzen, nutzten sie zunehmend andere Wege der Energiegewinnung.
Unter zusätzlichen entzündlichen Bedingungen konnte dadurch mehr Sauerstoff für bestimmte Darmbakterien verfügbar werden.
Das verschaffte Mikroorganismen einen Vorteil, die Sauerstoff zur Energiegewinnung nutzen können. Andere Bakterien, die auf eine sauerstoffarme Umgebung angewiesen sind, könnten dadurch unter Druck geraten.
Die Forschenden zeigten ausserdem, dass auch Nitrat als alternativer Stoff für die bakterielle Atmung eine Rolle spielen kann.
Die Entdeckung ist deshalb differenzierter als die einfache Aussage, dass weniger Butyrat automatisch mehr Sauerstoff bedeutet.
Vielmehr können Veränderungen der Darmflora, des Zellstoffwechsels und entzündliche Prozesse ineinandergreifen – und gemeinsam die Lebensbedingungen im Darm verändern. [4]
Das Mikrobiom ist mehr als eine Bakterienliste
Wenn wir über das Darmmikrobiom sprechen, interessieren wir uns meistens dafür, welche Bakterien vorhanden sind.
Welche Arten sind besonders häufig? Welche fehlen? Welche gelten als günstig oder ungünstig?
Doch diese Fragen erzählen nur einen Teil der Geschichte.
Denn Bakterien leben nicht unabhängig von ihrer Umgebung. Sie brauchen geeignete Nährstoffe, einen passenden pH-Wert – und bestimmte Sauerstoffbedingungen.
Diese Bedingungen entstehen nicht allein durch die Mikroorganismen selbst.
Auch unsere Darmzellen tragen dazu bei.
Das eröffnet eine andere Perspektive auf das Mikrobiom: Vielleicht sollten wir nicht nur fragen, welche Bakterien im Darm leben, sondern ebenso, welchen Lebensraum unser Körper für sie schafft.
Die bisherigen Experimente erklären einen wichtigen biologischen Mechanismus. Sie beweisen noch nicht, dass sich eine gestörte Darmflora beim Menschen einfach durch die Einnahme von Butyrat wiederherstellen lässt.
Die eigentliche Erkenntnis ist grundlegender: Darmzellen und Mikroorganismen bilden ein miteinander verbundenes Stoffwechselsystem.
Drei Gedanken zum Mitnehmen
- Butyrat ist ein wichtiger Brennstoff für unsere Darmzellen. Es wird von bestimmten Darmbakterien bei der Fermentation von Nahrungsbestandteilen produziert.
- Der Sauerstoffverbrauch der Darmzellen hilft, das Darminnere sauerstoffarm zu halten. Davon profitieren zahlreiche Bakterien, die Sauerstoff schlecht vertragen.
- Darmzellen und Mikrobiom beeinflussen sich gegenseitig. Die Bakterien liefern Butyrat – und die Darmzellen tragen durch dessen Verwertung dazu bei, den Lebensraum dieser Bakterien zu erhalten.
Eine offene Frage
Wenn der Stoffwechsel unserer Darmzellen mitbestimmt, welche Bakterien im Darm gedeihen können: Könnten wir das Mikrobiom künftig nicht nur über die Bakterien selbst, sondern auch über die Stoffwechselaktivität der Darmwand beeinflussen?
Wissenschaftliche Quellen
- Albenberg L et al. Correlation between intraluminal oxygen gradient and radial partitioning of intestinal microbiota. Gastroenterology. 2014;147(5):1055–1063.e8. DOI: 10.1053/j.gastro.2014.07.020. PMID: 25046162.
- Roediger WEW. Role of anaerobic bacteria in the metabolic welfare of the colonic mucosa in man. Gut. 1980;21(9):793–798. DOI: 10.1136/gut.21.9.793. PMID: 7429343.
- Kelly CJ et al. Crosstalk between Microbiota-Derived Short-Chain Fatty Acids and Intestinal Epithelial HIF Augments Tissue Barrier Function. Cell Host & Microbe. 2015;17(5):662–671. DOI: 10.1016/j.chom.2015.03.005. PMID: 25865369.
- Byndloss MX et al. Microbiota-activated PPAR-γ signaling inhibits dysbiotic Enterobacteriaceae expansion. Science. 2017;357(6351):570–575. DOI: 10.1126/science.aam9949. PMID: 28798125.
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Medizinischer Hinweis
Dieser Artikel dient der wissenschaftlichen Information und ersetzt keine ärztliche Beratung, Diagnose oder Behandlung. Aus den beschriebenen Zell- und Tierexperimenten lassen sich keine individuellen Therapie- oder Einnahmeempfehlungen für Butyrat ableiten.