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Medizin

07. Februar 2019 Darmbakterien: Neuartiges Enzym entdeckt

Ein Schlüsselenzym für eine schädliche Schwefelwasserstoffbildung durch Bilophila-Bakterien im menschlichen Darm wurde an der Universität Konstanz in Kooperation mit der Harvard University entdeckt.
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Fachinformation
Im menschlichen Darm sorgt das Darm-Mikrobiom dafür, dass noch nicht verdaute Nahrungsbestandteile weiter verstoffwechselt werden. Tatsächlich kommt es aber auch zu Abbauprozessen, die negative Effekte für den Menschen haben können. In der Arbeitsgruppe für Mikrobielle Ökologie des Konstanzer Biologen Dr. David Schleheck wurde in einer Kooperation mit der Harvard University (USA) ein Schlüsselenzym entdeckt, das im Darmbakterium Bilophila wadsworthia am Abbau des im Darm häufig vorkommenden Substrats Taurin beteiligt ist. Dabei entsteht giftiger Schwefelwasserstoff. Eine verstärkte Schwefelwasserstoffbildung wird mit einer höheren Durchlässigkeit der Darmwand, höherer Infektionsanfälligkeit und Darmkrebs in Verbindung gebracht. Zudem kann Bilophila wadsworthia als pathogenes Bakterium auftreten, beispielsweise bei Blinddarmentzündungen.

Neuartiges Glycylradikal-Enzym

Taurin wird dem menschlichen Verdauungssystem vor allem durch fettreiche Nahrung, aber auch durch Fleisch zugeführt. Eine fettreiche Ernährung führt zu einer verstärkten Produktion von Gallensäuren, die bei der Fettverdauung helfen, unter anderem Taurocholat. Im Dickdarm wird jedoch durch die Bilophila-Bakterien von Taurocholat das Taurin abgespalten und für einen anaeroben Energiestoffwechsel in Abwesenheit von Luft-Sauerstoff verwendet, wobei der toxische Schwefelwasserstoff entsteht. Diese besondere Art des Energiestoffwechsels durch Bilophila, dem „Gallensäure-liebenden“ Organismus, war bereits vor 20 Jahren in der Arbeitsgruppe des Biologen Prof. Dr. Alasdair Cook an der Universität Konstanz beschrieben worden. Dabei wird von Taurin eine schwefelhaltige Gruppe abgespalten und zu Schwefelwasserstoff reduziert. Es war jedoch bisher unbekannt, welches Enzym in den strikt anaeroben Bilophila-Bakterien für diese Abspaltung verantwortlich ist. Durch die Entdeckung eines neuartigen Glycylradikal-Enzyms konnte diese Wissenslücke nun durch die Arbeitsgruppe von David Schleheck geschlossen werden.

Erstmals nachgewiesen wurde dieses Enzym im Proteomics Centre der Universität Konstanz. Mittels einer Proteomanalyse konnte eine vollständige Auflistung der Proteine erstellt werden, die unter den Wachstumsbedingungen mit Taurin in den Bakterienzellen vorliegen. „Wir haben entdeckt, dass bei Wachstum mit Taurin ein noch unbekanntes Glycylradikal-Enzym in sehr großen Mengen produziert wird, nicht jedoch bei Wachstum mit Vergleichssubstraten“, berichtet David Schleheck. „Diese Enzymfunktion passte genau in die Erklärungslücke des Bilophila-Abbauwegs für Taurin. Wir haben somit ein neuartiges Enzym entdeckt, welches eine Abspaltung der schwefelhaltigen Gruppe katalysieren kann“, erklärt Schleheck.

Anoxische Bedingungen

Entscheidend ist, dass das Enzym sehr sauerstoffsensitiv ist. Das bedeutet, dass es nur unter strikt anoxischen Bedingungen reagieren und auch nur so im Labor untersucht werden kann. Die Biologin und Mitautorin Karin Denger, die bereits in der Arbeitsgruppe Cook mitgearbeitet hat: „Wir hatten damals ähnliche Taurin-Abbauwege in vielen verschiedenen Bakterien neu entdeckt. Dass es in den Bilophila-Bakterien ganz anders sein könnte, haben wir zu dieser Zeit noch nicht erkannt.“

Künstliche Bilophila-Produktion

David Schleheck, Mitautorin Anna Burrichter und Karin Denger, die jetzt Mitglied der kooperierenden Arbeitsgruppe des Konstanzer Chemikers Prof. Dr. Spiteller ist, konnten auch zwei Spezialisten für Glycylradikal-Enzyme von der Harvard University, Prof. Dr. Emily Balskus und Dr. Spencer Peck, als Kooperationspartner für ihre Studie gewinnen, deren Arbeit durch die Bill & Melinda Gates Foundation gefördert wurde. Sie waren in der Lage, das Bilophila-Enzym in Escherichia coli zu produzieren, zu reinigen und vor allem anschließend zu reaktivieren und somit die Enzymfunktion zu bestätigen. „Mit dieser Methodik können wir in Zukunft an ähnlichen Schwefelgruppen-abspaltenden Enzymen arbeiten, denn wir haben sehr viele davon in vielen wichtigen Darmbakterien gefunden, wobei deren Funktionen noch völlig unbekannt sind“, so Schleheck.

Neben der toxischen Wirkung könnte eine Schwefelwasserstoffbildung im Darm zumindest in niedrigeren Konzentrationen auch gut für die Gesundheit des Menschen sein, da Schwefelwasserstoff im Menschen auch als Signalstoff wirken kann. „Doktorandin Anna Burrichter hat kürzlich die bakterielle Schwefelwasserstoffbildung aus einem Bestandteil der pflanzlichen Ernährung, aus Sulfoquinovose, beschrieben“, so Schleheck, „während wir jetzt die bakterielle Schwefelwasserstoffbildung aus den Substraten Taurocholat und Taurin aufklären konnten. Für ein besseres Verständnis der komplexen Symbiose aus Darm-Mikrobiom und Mensch und der Rolle von Schwefelwasserstoff ist es wichtig, alle Wege zu kennen, die zu Schwefelwasserstoff führen, ganz besonders abhängig von der Ernährung.“ Laut Schleheck werden bereits weitere solche Abbauwege in seiner Gruppe untersucht.

Quelle: Universität Konstanz


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