Neue Publikation im Journal "Nature Microbiology"

| von Anke Trinkler

Wir freuen uns sehr, dass die Mitglieder unserer Microbiome Dynamics Group im Rahmen des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ dazu beitragen konnten, dass ein Mechanismus entschlüsselt wurde, der bestimmt, wie unser Darmmikrobiom gesunde Pflanzenstoffe verarbeitet und damit ein wichtiger Baustein geliefert wurde, diese Balance durch gezielte individuelle Intervention zu fördern.

In unserer jüngsten Publikation „Gut microbiome-mediated transformation of dietary phytonutrients is associated with health outcomes“ wurde eine umfassende Multi-Datenbank-Analyse durchgeführt. Die mikrobiellen Enzyme des Darms wurden mit der Umwandlung von 775 Phytonährstoffen aus essbaren Pflanzen in 3.068 menschlichen Mikrobiomen weltweit in Verbindung gebracht. Bei der In-vitro-Validierung wurden Arten wie Eubacterium ramulus hervorgehoben, die erhebliche individuelle und geografische Unterschiede bei der Biotransformation von Phytonährstoffen aufweisen. Unsere Machine-Learning-Analyse von 2.486 Mikrobiomen zeigte, dass die Häufigkeit von Enzymen, die an der Modifikation von Phytonährstoffen beteiligt sind, den Gesundheitszustand bei verschiedenen Krankheiten beeinflussen kann, was das Potenzial für personalisierte, ernährungsgesteuerte Therapien offenbart.

Indem wir verschiedene Daten über gesundheitsfördernde Enzymreaktionen mit Informationen aus Metagenomik-Datensätzen kombiniert haben, konnten wir zeigen, dass das vom Mikrobiom gesteuerte Potenzial für Biotransformationen mit bestimmten Gesundheitsmerkmalen und Krankheiten im Zusammenhang steht. Zusätzlich konnten wir mithilfe von metagenomischen und metatranskriptomischen Untersuchungen an keim- und krankheitsfreien Mäusen bestätigen, dass bestimmte mikrobielle Enzyme mit der entzündungshemmenden Wirkung verbreiteter essbarer Pflanzen verbunden sind.

Schlüsselergebnisse

  1. Weltweite Bedeutung der Biotransformation von Pflanzenstoffen:
    Insgesamt 775 pflanzliche Nährstoffe werden von Enzymen umgewandelt, die in vielen verschiedenen Darmmikroben vorkommen – und das in Tausenden untersuchter Proben.
  2. Validierung einzelner Bakterienarten:
    Laborversuche zeigen, dass bestimmte Darmbakterien – besonders Eubacterium ramulus – tatsächlich in der Lage sind, Pflanzenstoffe umzuwandeln.
  3. Starke Unterschiede zwischen Menschen und Regionen:
    Das Potenzial zur Umwandlung von Pflanzennährstoffen ist von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich und variiert auch deutlich zwischen verschiedenen Regionen der Welt.
  4. Enzyme als Hinweis auf den Gesundheitszustand:
    Maschinenlernmodelle können anhand der Häufigkeit bestimmter mikrobieller Enzyme unterscheiden, ob eine Person gesund ist oder sich in einem bestimmten Krankheitszustand befindet.
  5. Bestätigung im lebenden Organismus:
    Untersuchungen an keim- krankheitsfreien (SPF-)Mäusen belegen, dass die vom Mikrobiom erzeugten Enzyme mit den entzündungshemmenden Effekten vieler essbarer Pflanzen zusammenhängen.

Verwendete Methoden im Überblick

  • Wir haben zahlreiche Datenbanken zusammengeführt, die Informationen über enzymatische Reaktionen und deren gesundheitlichen Nutzen enthalten.
  • Wir haben 3.068 öffentlich verfügbare menschliche Mikrobiomproben untersucht, um herauszufinden, wie Pflanzenstoffe (Phytonährstoffe) im Darm umgewandelt werden.
  • Mit Laborversuchen (In-vitro-Tests) überprüften wir, ob bestimmte Darmbakterien – zum Beispiel Eubacterium ramulus – diese Umwandlungen tatsächlich durchführen.
  • Für 2.486 weitere öffentlich verfügbare Mikrobiom-Datensätze aus Fall-Kontroll-Studien entwickelten wir Machine-Learning-Modelle, um zu untersuchen, wie häufig bestimmte Enzyme vorkommen und wie diese mit dem Gesundheitszustand zusammenhängen.
  • Zusätzlich nutzten wir Daten aus metagenomischen und metatranskriptomischen Analysen in krankheits- und keimfreien Mäusen, um die funktionellen Zusammenhänge weiter zu bestätigen.

Nutzen für Gesundheit, Umwelt und Gesellschaft

Die Ergebnisse zeigen, dass Menschen in unterschiedlichen Regionen unterschiedliche Reaktionen auf Nahrung erfolgen – unter anderem, weil ihr Darmmikrobiom Pflanzenstoffe unterschiedlich verarbeiten kann.

Das eröffnet neue Möglichkeiten für eine individuell angepasste Ernährung: Eine pflanzenreiche Kost könnte in Zukunft gezielt an das mikrobielle Potenzial einer Person angepasst werden. Das könnte helfen, Krankheiten vorzubeugen, Therapien besser zu begleiten und langfristig nachhaltigere Ernährungsempfehlungen zu entwickeln.

Über die Publikation

Die MBD Group-Mitglieder Dr. Bastian Seelbinder, Dr. Ana Depetris Chauvin, Prof. Gianni Panagiotou, Yueqiong (Bernard) Ni (Alumni) und Lu Zhang (Alumni) sowie die Kooperationspartner des Exzellenzclusters "Balance of the Microverse"  haben an der Studie mitgewirkt. Wir danken allen Mitarbeitern und Kooperationspartnern sowie besonders dem Fördermittelgeber: der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die diese Studie ermöglicht haben.

  • Originalpublikation

    Zhang L#, Marfil-Sánchez A#, Kuo T-H, Seelbinder B, van Dam L, Depetris-Chauvin A, Jahn L J, Sommer M O A, Zimmermann M, Ni Y*, Panagiotou G (2025)*, Gut microbiome-mediated transformation of dietary phytonutrients is associated with health outcomes, NATURE MICROBIOLOGY
    DOI: 10.1038/s41564-025-02197-z

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    * korrespondierende Autoren

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