Die unsichtbare Fabrik in deinem Darm
Sie produziert Enzyme, Signalstoffe und zahlreiche weitere Moleküle – und die meisten Menschen ahnen nicht einmal, dass sie existiert.
Die größten Fabriken der Welt lassen sich schon aus dem Flugzeug erkennen. Kilometerlange Hallen, Schornsteine und Förderbänder prägen ganze Landschaften.
Doch eine der faszinierendsten Produktionsstätten der Natur entzieht sich jedem Blick.
Sie ist kleiner als ein Staubkorn, besteht aus nur einer einzigen lebenden Zelle und arbeitet mit einem biochemischen Instrumentarium, das über Millionen von Jahren Evolution entstanden ist.
Die meisten Fabriken werden gebaut. Diese entstand durch Evolution.
Während Sie diese Zeilen lesen, laufen in Ihrem Verdauungstrakt unzählige biochemische Reaktionen ab. Gene werden aktiviert, Enzyme gebildet und Stoffwechselwege an veränderte Bedingungen angepasst.
Welche Stoffe eine Mikrobe dabei bildet, hängt von ihrer Art, ihrem Stamm, ihrer genetischen Ausstattung und den Bedingungen ihrer Umgebung ab.
Enzyme, Signalstoffe und zahlreiche weitere Moleküle gehören zu einem biochemischen Repertoire, dessen Umfang die Wissenschaft erst nach und nach sichtbar gemacht hat.
Für die Mikrobe sind diese Stoffe keine Besonderheit.
Sie sind Werkzeuge.
Werkzeuge, die über Millionen von Jahren Evolution entstanden sind.
Doch vielleicht ist das gar nicht die größte Überraschung.
Denn die biologische Fabrik, um die es in dieser Geschichte geht, gehört ursprünglich gar nicht in den menschlichen Körper.
Sie ist nur zu Gast.
Ihre Geschichte beginnt an einem Ort, den wir täglich betreten, ohne ihm besondere Aufmerksamkeit zu schenken.
Unter unseren Füßen.
Zwischen Erde, Wurzeln und Steinen.
Dort entwickelte sich über Millionen von Jahren ein Organismus, dessen Fähigkeiten Wissenschaftler schließlich zu einem der wichtigsten Modellorganismen der modernen Mikrobiologie machten.
Und irgendwann entstand eine faszinierende Frage:
Was geschieht, wenn ein Organismus, dessen Geschichte im Boden begann, plötzlich in eine völlig andere Welt gelangt?
Nicht zwischen Wurzeln.
Nicht unter Steinen.
Sondern im menschlichen Verdauungstrakt.
Dort trifft die Mikrobe auf Magensäure, Verdauungsenzyme, Nährstoffe und eine bereits vorhandene Gemeinschaft aus Billionen anderer Mikroorganismen.
Und genau hier beginnt ein besonders interessantes Kapitel ihrer Geschichte.
Ihr Name lautet:
Bacillus subtilis.
Die Zeitkapsel
Die außergewöhnlichste Fähigkeit dieser Mikrobe entstand nicht deshalb, weil sie eines Tages den menschlichen Darm erreichen sollte.
Sie entstand lange zuvor – in einer Welt, in der Überleben jeden Tag neu verdient werden musste.
Der Boden ist kein stiller Ort. Regen füllt seine Poren mit Wasser, Trockenheit lässt sie wieder austrocknen. Temperaturen steigen und fallen. Nährstoffe erscheinen und verschwinden.
Für Mikroorganismen bedeutet das einen ständigen Wechsel zwischen günstigen und lebensfeindlichen Bedingungen.
Bacillus subtilis besitzt dafür eine außergewöhnliche Strategie.
Wenn Nahrung knapp wird oder die Umwelt keine normalen Lebensprozesse mehr zulässt, kann die Zelle ihre Gestalt vollständig verändern.
Aus der aktiven Bakterienzelle entsteht eine Spore.
Der Stoffwechsel wird auf ein Minimum reduziert. Das empfindliche Erbgut wird von widerstandsfähigen Strukturen geschützt.
Von außen wirkt die Spore regungslos.
Doch sie ist nicht tot.
Sie wartet.
Nicht auf einen bestimmten Zeitpunkt.
Sondern auf die richtigen Bedingungen.
Man könnte versucht sein, sie mit einem Pflanzensamen zu vergleichen. Der Vergleich hilft, greift jedoch zu kurz. Die bakterielle Endospore ist eine hochspezialisierte Überdauerungsform und gehört zu den bemerkenswertesten Überlebensstrategien der mikrobiellen Welt.
Diese Fähigkeit entstand nicht für den Menschen.
Sie entstand für das Leben in wechselhaften Umweltbedingungen.
Doch gerade dadurch besitzt Bacillus subtilis eine Eigenschaft, die eine ungewöhnliche Reise möglich macht.
Die Reise beginnt
Mit Nahrung, Wasser oder pflanzlichem Material können Sporen in den menschlichen Verdauungstrakt gelangen.
Wenig später treffen sie auf eine Barriere, an der viele empfindlichere Mikroorganismen scheitern:
den Magen.
Seine saure Umgebung gehört zu den Schutzmechanismen unseres Körpers. Für zahlreiche Mikroorganismen endet die Reise hier.
Eine Spore befindet sich jedoch in einem anderen biologischen Zustand als eine aktive Bakterienzelle.
Sie schützt keinen voll arbeitenden Stoffwechsel.
Sie bewahrt vor allem das, was für einen späteren Neuanfang notwendig ist.
Nach der Passage des Magens verändert sich die Umgebung. Der pH-Wert steigt, andere chemische Signale treten auf und Nährstoffe werden verfügbar.
Unter geeigneten Bedingungen kann nun etwas Erstaunliches geschehen.
Die Spore beginnt zu keimen.
Wasser gelangt wieder in die Zelle. Stoffwechselprozesse werden hochgefahren. Gene werden aktiviert. Enzyme entstehen.
Aus einer scheinbar regungslosen Spore wird wieder eine aktive Bakterienzelle.
Die Fabrik nimmt ihre Arbeit auf.
Doch diesmal nicht zwischen Erde, Wurzeln und Steinen.
Sondern im Verdauungstrakt.
Der Besucher
Wenn Bacillus subtilis dort aktiv wird, beginnt nicht zwangsläufig die Suche nach einem dauerhaften neuen Zuhause.
Der menschliche Darm ist längst bewohnt.
Billionen Mikroorganismen leben dort auf engstem Raum. Sie nutzen Nährstoffe, reagieren auf chemische Signale und bilden gemeinsam eines der komplexesten mikrobiellen Ökosysteme, die wir kennen.
Bacillus subtilis kann dabei als transienter Besucher auftreten.
Er kommt.
Er wird aktiv.
Und er verschwindet wieder.
Transienz bezeichnet das vorübergehende Auftreten eines Organismus, ohne dass daraus zwangsläufig eine dauerhafte Besiedlung entsteht.
Auf den ersten Blick wirkt das wenig spektakulär.
Doch vielleicht stellen wir die falsche Frage.
Nicht:
Wie lange bleibt die Mikrobe?
Sondern:
Was geschieht während der Zeit, in der sie da ist?
Sobald eine Zelle aktiv ist, nimmt sie Nährstoffe auf, reguliert Gene, betreibt Stoffwechsel und gibt Moleküle an ihre Umgebung ab.
Nicht jeder Organismus muss dauerhaft bleiben, um Teil eines Ökosystems zu werden.
Manchmal genügt bereits die Zeit, in der er aktiv daran teilnimmt.
Die Werkzeugfabrik
Eine Fabrik erkennt man nicht an ihren Mauern.
Sondern an dem, was sie herstellt.
Für Bacillus subtilis gilt dasselbe.
Die Mikrobe reagiert auf ihre Umgebung, passt ihren Stoffwechsel an und produziert Moleküle, die sie unter den jeweiligen Bedingungen benötigt.
Zu diesen Werkzeugen gehören Enzyme.
Sie zählen zu den effizientesten Katalysatoren der Natur. Ohne Enzyme würden zahllose biochemische Reaktionen entweder extrem langsam oder überhaupt nicht stattfinden.
Auch Bacillus-subtilis-Stämme können eine bemerkenswerte Vielfalt unterschiedlicher Enzyme bilden.
Manche spalten Proteine beziehungsweise Peptide in kleinere Bestandteile. Andere wirken auf Stärke, Fette oder Bestandteile pflanzlichen Materials.
Doch Enzyme sind nur ein Teil der Geschichte.
Die Stoffwechselfabrik
Neben Enzymen können Bacillus-subtilis-Stämme zahlreiche weitere Stoffwechselprodukte bilden.
Dazu gehören unter anderem Peptide, Signalmoleküle und unterschiedliche Naturstoffe.
Einige entstehen nur unter bestimmten Umweltbedingungen. Andere erfüllen Aufgaben bei der Kommunikation oder der Konkurrenz zwischen Mikroorganismen.
Zu den intensiv untersuchten Stoffgruppen von Bacillus subtilis gehören beispielsweise Lipopeptide wie Surfactin, Iturin und Fengycin.
Diese Moleküle entstanden nicht, weil sie dem Menschen nützen sollten.
Sie sind Werkzeuge mikrobieller Evolution.
Jedes Enzym, jeder Naturstoff und jedes Signal ist Teil einer sehr viel älteren Geschichte.
Einer Geschichte, in der Organismen seit Milliarden von Jahren auf dieselbe grundlegende Herausforderung reagieren:
Wie kann ich unter diesen Bedingungen überleben?
Vielleicht liegt genau darin die eigentliche Faszination von Bacillus subtilis.
Nicht allein darin, welche Moleküle die Mikrobe bilden kann.
Sondern darin, dass diese Werkzeuge das Ergebnis eines evolutionären Entwicklungsprozesses sind, der lange vor der Geschichte des Menschen begann.
Kein Bakterium lebt allein
Doch keine Mikrobe arbeitet mit ihren Werkzeugen für sich allein.
Jedes Molekül, das sie freisetzt, gelangt in eine Welt, in der unzählige andere Mikroorganismen gleichzeitig Nährstoffe aufnehmen, Stoffe produzieren und ihre Umgebung verändern.
Der menschliche Darm gehört zu den am dichtesten besiedelten mikrobiellen Lebensräumen unseres Körpers.
Lange Zeit betrachtete die Wissenschaft Mikroorganismen vor allem als einzelne Lebewesen. Man untersuchte ihre Eigenschaften, beschrieb ihren Stoffwechsel und ordnete sie bestimmten Arten zu.
Dieses Bild war nicht falsch.
Es war unvollständig.
Denn keine Mikrobe lebt für sich allein.
Jede Zelle reagiert auf ihre unmittelbare Umgebung. Sie nimmt Stoffe auf, gibt Moleküle ab und verändert damit Bedingungen für andere Organismen.
Gleichzeitig wird sie selbst von den Stoffwechselprodukten ihrer Umgebung beeinflusst.
Die Sprache dieses Systems besteht nicht aus Lauten.
Sie besteht aus Molekülen.
Manche dienen als Nährstoffe. Andere verändern chemische Bedingungen oder wirken als Signale. Wieder andere entstehen erst als Reaktion auf Veränderungen der Umgebung.
Auch Bacillus subtilis wird während seines Aufenthalts Teil dieses Netzwerks.
Nicht weil die Mikrobe den Darm beherrschen würde.
Nicht weil sie allein über das Geschehen entscheidet.
Sondern weil sie – wie andere Organismen auch – Stoffe aufnimmt, Stoffe umsetzt und Moleküle an ihre Umgebung abgibt.
Dabei geht es nicht um Zusammenarbeit oder Konkurrenz im menschlichen Sinn.
Es geht um Biochemie.
Um Konzentrationen.
Um chemische Gradienten.
Um Moleküle, die entstehen, umgesetzt und wieder abgebaut werden.
Gerade diese Perspektive hat unser Verständnis des Mikrobioms verändert.
Der Darm besteht nicht einfach aus Milliarden voneinander unabhängiger Organismen.
Er ist ein Ökosystem.
Bacillus subtilis ist nicht gleich Bacillus subtilis
An dieser Stelle wird eine Unterscheidung wichtig, die uns auf SUBTILA24 immer wieder begegnen wird.
Bacillus subtilis bezeichnet eine Art – nicht einen einzigen Stamm.
Innerhalb dieser Art existieren unterschiedliche Stämme mit unterschiedlichen genetischen und funktionellen Eigenschaften.
Deshalb reicht bei vielen wissenschaftlichen Fragestellungen der Artname allein nicht aus.
Die entscheidende Frage lautet:
Welcher Stamm wurde untersucht?
Einer dieser Stämme wird auf SUBTILA24 eine besondere Rolle spielen:
Bacillus subtilis DSM 21097.
Seine Geschichte und die Forschung rund um diesen Stamm werden wir in eigenen Beiträgen ausführlich betrachten.
Der Kreislauf
Die Geschichte von Bacillus subtilis endet nicht im menschlichen Darm.
Die Mikrobe stammt aus einer Welt, die lange vor uns existierte.
Aus Böden.
Von Pflanzen.
Aus mikrobiellen Lebensgemeinschaften, die organisches Material umsetzen und Nährstoffkreisläufe mitgestalten.
Der Mensch steht außerhalb dieses Systems nicht daneben.
Er ist Teil davon.
Was wir essen, stammt letztlich aus ökologischen Kreisläufen, an denen Mikroorganismen seit unvorstellbar langer Zeit beteiligt sind.
Vielleicht verändert genau dieser Gedanke unseren Blick auf die Natur.
Nicht weil plötzlich alles miteinander verbunden wäre.
Sondern weil es das immer war.
Wir haben es nur lange nicht gesehen.
Je genauer die Mikrobiologie hinschaut, desto schwieriger wird es, Leben als Ansammlung voneinander isolierter Organismen zu verstehen.
Jede Zelle beeinflusst ihre Umgebung.
Jede Veränderung kann weitere Veränderungen auslösen.
Vielleicht liegt genau darin eine der faszinierendsten Lektionen, die uns Bacillus subtilis geben kann.
Nicht allein in den Enzymen, die die Mikrobe bildet.
Nicht allein in ihren Stoffwechselprodukten.
Nicht einmal in ihrer erstaunlichen Fähigkeit, als Spore schwierige Zeiten zu überdauern.
Sondern darin, dass eine winzige Zelle unseren Blick auf etwas sehr viel Größeres lenkt:
Leben findet niemals isoliert statt.
Wer beginnt, diese Zusammenhänge zu erkennen, sieht nicht nur Bacillus subtilis mit anderen Augen.
Er beginnt, die unsichtbare Welt um uns herum neu zu betrachten. Die Subtiliswelt. Bacillus subtilis DSM 21097
