Bifidobakterien: Kohlenhydratstoffwechsel und ihre Relevanz für die menschliche Darmgesundheit

Zusammenfassung

Mitglieder der Gattung Bifidobacterium sind wichtige Bestandteile der gastrointestinalen Mikrobiota und spielen eine entscheidende Rolle bei der Erhaltung und Förderung der menschlichen Gesundheit durch eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften. Bifidobakterien können eine vielfältige Palette von Nahrungskohlenhydraten verwerten, die im oberen Verdauungstrakt nicht abgebaut werden, darunter viele pflanzliche Oligo- und Polysaccharide. Der Geninhalt eines bifidobakteriellen Genoms spiegelt diese offensichtliche metabolische Anpassung an eine komplexe, kohlenhydratreiche Umgebung im Magen-Darm-Trakt wider, da es eine große Anzahl von vorhergesagten kohlenhydratmodifizierenden Enzymen kodiert. Wie in zahlreichen Studien, die hierin rezensiert werden, festgestellt, können verschiedene Bifidobakterienstämme unterschiedliche Fähigkeiten zur Kohlenhydratverwertung besitzen. Kohlenhydratabbauende Aktivitäten von Bifidobakterien und ihre Relevanz für die gezielte Steigerung der Anzahl und/oder Aktivität von Bifidobakterien im Darm werden in dieser Übersicht ebenfalls diskutiert.

Schlüsselwörter: Kohlenhydratmetabolismus, Präbiotika, Probiotika, Kohlenhydrate, Bifidobakterieller Stoffwechsel, Bifidobacterium breve UCC2003, Glykosylhydrolasen

Einleitung

Im Durchschnitt ist der menschliche Magen-Darm-Trakt (GIT) ein natürlicher Lebensraum für etwa 10^11–10^12 Mikroorganismen pro Gramm Darminhalt, die zusammen die Darmmikrobiota bilden und eine Biomasse von über 1 kg aufweisen. Metagenomische Analysen schätzen die Gesamtzahl der bakteriellen Spezies in der intestinalen Mikrobiota auf etwa 500 bis 1.000 verschiedene Spezies oder sogar zwischen 15.000 und 36.000 verschiedene Spezies. Eine sehr aktuelle Studie zum minimalen menschlichen Darmmetagenom schätzte, dass ein Individuum mindestens 160 vorherrschende Bakterienarten beherbergt, die auch bei anderen Individuen gefunden werden und zusammen eine komplexe Gemeinschaft bilden, die Mundhöhle, Magen, Dünn- und Dickdarm in unterschiedlicher Anzahl besiedelt. Die Gesamtzahl der Bakterienzellen ist mindestens 10-mal höher als die Summe aller menschlichen Zellen im Körper, während das kollektive Genom all dieser Bakterienzellen, auch Mikrobiom genannt, aus mindestens 150-mal mehr Genen besteht als die Gesamtzahl der im menschlichen Genom vorhandenen Gene.

Die bakterielle Besiedlung des menschlichen GIT beginnt unmittelbar nach der Geburt und hängt von vielen Faktoren ab, darunter die Geburtsmethode (Kaiserschnitt oder vaginal), die Ernährungsweise des Säuglings (Stillen oder Flaschennahrung), ergänzende oder Folgediäten, die Exposition gegenüber Antibiotika, Hygienebedingungen sowie Häufigkeit und Art von Krankheiten, insbesondere Magen-Darm-Infektionen. Verschiedene Berichte haben gezeigt, dass der Großteil der fäkalen mikrobiellen Population gestillter Säuglinge aus Bifidobakterien besteht, mit kleineren Anteilen von Escherichia coli, Bacteroides-Arten und Clostridien (siehe Übersicht). Frühere molekulare Analysen der GIT-Mikrobiotazusammensetzung bei gesunden Erwachsenen haben gezeigt, dass die meisten der endogenen Mikroorganismen Mitglieder von nur zwei Phyla sind: Firmicutes und Bacteroidetes. Eine sehr aktuelle kulturunabhängige Studie, die auf der Sequenzanalyse amplifizierter mikrobieller ribosomaler RNA-kodierender Gene (16S ribosomale DNA, rDNA) basierte, zeigte ebenfalls, dass die menschliche GIT-Mikrobiota eines Erwachsenen ausschließlich aus Mitgliedern besteht, die zu fünf bakteriellen Phyla gehören: Firmicutes (79,4 %), Bacteroidetes (16,9 %), Actinobacteria (1 %), Proteobacteria (0,1 %) und Verrucomicrobia (0,1 %), und dass die meisten zu den Gattungen Faecalibacterium, Bacteroides, Roseburia, Ruminococcus, Eubacterium, Coprabacillus und Bifidobacterium gehören. Eine Analyse des menschlichen Darm-Trakt-Chips ergab jedoch, dass Mitglieder der Bacteroides-phylogenetischen Gruppe in jungen Individuen möglicherweise häufiger vorkommen als die der Firmicutes, ein Befund, der mit den Ergebnissen einer kürzlich durchgeführten metagenomischen Studie übereinstimmt. Darüber hinaus haben verschiedene Studien gezeigt, dass die Mikrobiota des erwachsenen Menschen individualspezifisch ist und ferner von Alter, Ernährung, genetischem Hintergrund, physiologischem Zustand, mikrobiellen Interaktionen und Umweltfaktoren abhängt.

Studien am Menschen haben erhebliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota von Individuen aufgedeckt, und solche Unterschiede wurden mit Variationen der menschlichen Physiologie oder der Prädisposition für Krankheiten in Verbindung gebracht. Die Forschung zur Darmmikrobiotazusammensetzung beim Menschen, unterstützt durch Arbeiten an gnotobiotischen Mausmodellen, hat die Existenz einer mutualistischen Beziehung zwischen dem Menschen und der Darmmikrobiota gezeigt, die als virtuelles Organ fungiert, um (1) die Reifung des Immunsystems zu beeinflussen, (2) vor gastrointestinalen Pathogenen zu schützen und Reaktionen nach Epithelzellverletzungen zu modulieren (siehe Übersicht), (3) den Energiehaushalt des Wirts durch Fermentation unverdaulicher Ballaststoffe und anaeroben Stoffwechsel von Peptiden und Proteinen zu beeinflussen sowie zur Adipositas von Säugetieren beizutragen, indem sie das Stoffwechselnetzwerk reguliert, und (4) Biotransformationen durchzuführen, zu denen wir selbst schlecht ausgestattet sind, einschließlich der Verarbeitung und des Umsatzes von Xenobiotika.

Bifidobakterien gehören zu den prävalenten Gruppen kultivierbarer anaerober Bakterien im menschlichen und tierischen Magen-Darm-Trakt und sind unter den ersten, die den menschlichen GIT besiedeln, wo sie gesundheitsfördernde Wirkungen entfalten sollen, wie beispielsweise schützende Aktivitäten gegen Pathogene durch die Produktion antimikrobieller Mittel (z. B. Bakteriozine) und/oder die Blockierung der Adhäsion von Pathogenen sowie die Modulation der Immunantwort (siehe Übersicht). Bestimmte Bifidobakterien werden aufgrund dieser wahrgenommenen gesundheitsfördernden Aktivitäten kommerziell als probiotische Mikroorganismen genutzt. Das Wachstum und die metabolische Aktivität probiotischer Bakterien, einschließlich Bifidobakterien, können selektiv durch verschiedene Nahrungskohlenhydrate stimuliert werden, die aus diesem Grund als „Präbiotika“ bezeichnet werden. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu erwähnen, dass über 8 % der identifizierten Gene in den meisten untersuchten bifidobakteriellen Genomen voraussichtlich am Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt sind, was etwa 30 % mehr ist als der Anteil, den die Mehrheit anderer GIT-Mikroorganismen der Verwertung solcher Verbindungen widmet. Es gibt relativ wenige Veröffentlichungen, die charakterisierte Kohlenhydrat-Hydrolasen von Bifidobacterium sp. rezensieren. Daher wird sich diese Übersicht auf das derzeit verfügbare Wissen über den bifidobakteriellen Kohlenhydratstoffwechsel konzentrieren, der die Verwertung von Monosacchariden, Disacchariden, Oligosacchariden und Polysacchariden abdeckt.

Präbiotika und Synbiotika als Mittel zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit

Wie bereits erwähnt, können das Wachstum und die metabolische Aktivität nützlicher Darmbakterien, wie Bifidobakterien, selektiv durch unverdauliche Kohlenhydrate, sogenannte „Präbiotika“, stimuliert werden. Eine Reihe klinischer Studien zu Präbiotika und synergistischen Kombinationen von Pro- und Präbiotika, sogenannten Synbiotika, haben gezeigt, dass sie die allgemeine Gesundheit verbessern und das Krankheitsrisiko verringern (rezensiert von). Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um den Schutzmechanismus von Präbiotika besser zu verstehen. Eine Kombination aus Galactooligosacchariden (GOS) und Fructooligosacchariden (FOS) wurde berichtet, die Inzidenz von atopischer Dermatitis und infektiösen Episoden bei Säuglingen in den ersten sechs Lebensmonaten zu reduzieren und die frühe Phase einer impfstoffspezifischen Immunantwort bei Mäusen zu modulieren. Darüber hinaus erhöhen präbiotische kurzkettige FOS oder FOS die Anzahl von Bifidobakterien und die Eubacterium rectale–Clostridium coccoides-Gruppe in In-vitro-pH-kontrollierten anaeroben Fäkal-Batch-Kulturen. Eine andere Arbeit berichtete kürzlich, dass die Verabreichung von FOS die Zusammensetzung der Mikrobiota verändert, indem sie die Anzahl von Bifidobakterien und Laktobazillen im Blinddarm und Dickdarm erhöht, und die intestinale Barrierefunktion durch hochregulierte Expression des Trefoil-Faktor-3- und MUC2-Gens verbessert. Der Verzehr von GOS hat sich auch als präventiv gegen die Inzidenz und Symptome von Reisedurchfall erwiesen. Jüngste Studien zur Behandlung des Reizdarmsyndroms (IBS) mit Trans-GOS haben gezeigt, dass die Verabreichung dieses Präbiotikums IBS-Symptome reduziert und die allgemeine Lebensqualität der Patienten erhöht. Diese überzeugenden Ergebnisse zu den positiven Effekten von Präbiotika implizieren auch, dass die Charakterisierung kohlenhydratmodifizierender Enzyme, die von gesundheitsfördernden Bakterien produziert werden, wichtig ist, da dieses Wissen die Entwicklung neuartiger und möglicherweise wirksamerer und/oder selektiverer Präbiotika erleichtern wird.

Bifidobakterien

Bifidobakterien spielen, wie oben erwähnt, eine Schlüsselrolle für die menschliche Gesundheit. Tissier (1900) berichtete als Erster über die Isolierung einer Bifidobacterium-Spezies (damals Bacillus bifidus communis genannt) aus dem Stuhl eines gestillten Säuglings. Bifidobakterien sind Gram-positive, heterofermentative, nicht-motile, nicht-sporenbildende Mikroorganismen. Da Bifidobakterien Milchsäure als eines ihrer Hauptfermentationsendprodukte produzieren, werden sie oft den Milchsäurebakterien (LAB) zugeordnet, obwohl sie phylogenetisch eigenständig sind und zu den Gram-positiven Bakterien mit hohem G+C-Gehalt (zwischen 42 und 67 %) gehören. Die Familie Bifidobacteriaceae umfasst die Gattungen Gardnerella und Bifidobacterium und gehört zum Phylum und zur gleichnamigen Klasse der Actinobacteria, innerhalb derer sie eine eigenständige Ordnung bilden – die Bifidobacteriales. Das Phylum Actinobacteria umfasst unter anderem auch Actinomycetaceae, Propionibakterien, Corynebakterien, Mykobakterien und Streptomyces. Neununddreißig Arten wurden der Gattung Bifidobacterium zugeordnet, darunter jüngste Ergänzungen wie Bifidobacterium tsurumiense, isoliert aus Hamsterzahnplaque, Bifidobacterium mongoliense, isoliert aus Airag, einem traditionellen mongolischen fermentierten Pferdemilchprodukt, Bifidobacterium crudilactis, extrahiert aus französischer Rohmilch und Rohmilchkäse, Bifidobacterium psychraerophilum, stammend aus dem Schweinedarm, und drei Bifidobakterienarten, Bifidobacterium bombi, Bifidobacterium actinicoloniformis und Bifidobacterium bohemicus, isoliert aus dem Verdauungstrakt verschiedener Hummelarten (Tabelle 1). Darüber hinaus scheint es, dass noch viele Bifidobakterien entdeckt werden müssen, wie verschiedene metagenomische Studien nahelegen. Eine Reihe solcher bifidobakteriellen Stämme wird kommerziell genutzt und ist in der Regel als funktionelle Bestandteile milchbasierter probiotischer Getränke auf dem Markt erhältlich (Tabelle 2).

Tabelle 1. Derzeit anerkannte Bifidobacterium-Spezies

Tabelle 2. Teilliste kommerzialisierter probiotischer Stämme von Bifidobacterium sp.

Die „menschliche“ Gruppe von Bifidobakterien umfasst hauptsächlich jene, die im Darm oder Stuhl von Erwachsenen oder Säuglingen nachgewiesen wurden, und beinhaltet Bifidobacterium pseudocatenulatum, Bifidobacterium catenulatum, Bifidobacterium adolescentis, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium breve, Bifidobacterium angulatum und Bifidobacterium dentium.

Wie die meisten Darmbakterien sind Bifidobakterien saccharolytisch und spielen vermutlich eine wichtige Rolle bei der Kohlenhydratfermentation im Dickdarm. Physiologische Daten bestätigen, dass Bifidobakterien tatsächlich verschiedene komplexe Kohlenstoffquellen wie Magenschleim, Xylo-Oligosaccharide, (Trans-)Galactooligosaccharide, Sojabohnen-Oligosaccharide, Malto-Oligosaccharide, Fructo-Oligosaccharide, Pektin und andere pflanzliche Oligosaccharide fermentieren können, obwohl die Fähigkeit, bestimmte Kohlenhydrate zu metabolisieren, spezies- und stammesabhängig ist. Im Allgemeinen bauen Darmbakterien polymere Kohlenhydrate zu Oligosacchariden mit niedrigem Molekulargewicht ab, die anschließend durch eine Vielzahl von kohlenhydratabbauenden Enzymen zu Monosacchariden abgebaut werden können. Im Falle von Bifidobakterien werden diese Monosaccharide in Zwischenprodukte des Hexose-Fermentationsweges, auch Fructose-6-Phosphat-Shunt oder „Bifid-Shunt“ genannt, umgewandelt und letztendlich zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFAs) und anderen organischen Verbindungen umgewandelt, von denen einige für den Wirt vorteilhaft sein können. SCFAs, die einen hohen Kaloriengehalt aufweisen, werden beispielsweise von den Kolonozyten und Hepatozyten aufgenommen, wo sie metabolisiert und als Energiequelle genutzt werden. Darüber hinaus stimulieren SCFAs die Natrium- und Wasseradsorption im Dickdarm und sind bekannt für ihre Fähigkeit, Enzyme zu induzieren, die die Schleimhautregeneration fördern.

Bifidobakterielle Genome

Die Gattung Bifidobacterium sp. umfasst derzeit 39 charakterisierte Arten (Tabelle 1). Die Genome von 24 verschiedenen Stämmen, die 10 Bifidobakterienarten repräsentieren, wurden einer Sequenzanalyse unterzogen, obwohl nur 10