Darmbakterien bauen CML aus gekochten Lebensmitteln ab

Eine neue Studie zeigt, dass Bakterien im menschlichen Darm veränderte Verbindungen abbauen können, die gebräunten, gerösteten und frittierten Lebensmitteln ihren Geschmack verleihen.

Dafür nutzen sie ein Enzym, das eigentlich eine andere Aufgabe hat und flexibel genug ist, mehrere dieser durch Hitze entstandenen Verbindungen statt nur einer einzigen zu verarbeiten.

Solche Verbindungen gehören zum normalen Bestandteil moderner Ernährungsweisen. Sie entstehen beim Erhitzen von Lebensmitteln und gelangen weitgehend unversehrt in den Dickdarm. Dort werden sie mit Darmkrebs, einer Fettlebererkrankung und weiteren Krankheiten in Verbindung gebracht.

Wenn bekannt ist, welche Mikroben sie abbauen und auf welchem Weg dies geschieht, lässt sich besser verstehen, wie verarbeitete Lebensmittel und die Darmgesundheit zusammenhängen.

Hitze erzeugt neue Verbindungen in Lebensmitteln

Hitze bewirkt bei Lebensmitteln mehr als bloßes Garen. Treffen Proteine und Zucker bei hohen Temperaturen aufeinander, reagieren ihre Bausteine miteinander und ordnen sich neu an – ein Vorgang, den Chemiker Maillard-Reaktion nennen.

Dieser Prozess sorgt für die Kruste von Brot, die Bräunung von gebratenem Fleisch und die dunkle Farbe gerösteten Kaffees.

Zu seinen Produkten gehört eine veränderte Form von Lysin, einer gewöhnlichen Aminosäure, die Carboxymethyllysin (CML) genannt wird. Normale Aminosäuren werden im Dünndarm aufgenommen und vom Körper genutzt.

Für CML gilt das überwiegend nicht. Es passiert den Dünndarm und erreicht den Dickdarm, in dem die dichteste Gemeinschaft von Darmbakterien lebt. Gerade das weckte das Interesse der Forschenden: Alles, was der Körper nicht verdauen kann, wird für die weiter unten wartenden Mikroben entweder zur Nahrung oder zum Problem.

Bei CML und chemisch verwandten Stoffen war dieser Übergang von der menschlichen zur bakteriellen Verdauung bislang kaum untersucht.

Darmbakterien übernehmen den Abbau

Geleitet wurde die Arbeit von Dr. Jürgen Lassak an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Der Mikrobiologe erforscht, wie Bakterien mit ungewöhnlichen Aminosäuren umgehen.

Die chemische Perspektive steuerte sein Kooperationspartner, der Lebensmittelchemiker Michael Hellwig von der Technischen Universität Dresden (TU Dresden), bei.

Das Enzym SpeC, das im Mittelpunkt der Studie steht, gehört bereits zur alltäglichen Ausstattung der Zelle. Normalerweise hilft es dem Bakterium bei der Herstellung eines kleinen Moleküls, das es zum Wachsen benötigt: Dazu spaltet es einen Teil von einer Aminosäure ab und setzt Kohlendioxid frei.

Die neue Untersuchung belegt, dass es dieselbe Art von Spaltung auch bei CML durchführen kann – einem Molekül, mit dem es nach bisheriger Annahme nicht interagiert.

Ein Enzym baut mehrere Verbindungen ab

Besonders interessant ist seine größere Reichweite. SpeC behandelt CML nicht als Einzelfall, sondern wirkt auf eine Reihe hitzeveränderter Aminosäuren. Deshalb vergleicht das Team es mit einem Schweizer Taschenmesser.

„Die Bakterien müssen für diese Aufgabe nicht völlig neue Werkzeuge entwickeln. Stattdessen nutzen sie ihr vorhandenes Repertoire auf kreative Weise um“, sagte Lassak.

Das Team beschreibt also ein bekanntes Enzym, das nebenbei eine zusätzliche Funktion übernimmt, und keinen speziell auf CML ausgerichteten Abbauhelfer.

Eine frühere Studie hatte gezeigt, dass ganze Darmgemeinschaften von Menschen, die verarbeitete Lebensmittel essen, CML abbauen können. Sie benannte sogar wahrscheinliche beteiligte Bakterien, identifizierte das Enzym selbst jedoch nicht.

Mit der Benennung von SpeC geht die Fragestellung einen Schritt weiter: Der Fokus verschiebt sich von den beteiligten Bakterien auf die molekulare Maschine, die diese Arbeit erledigt.

Das Enzym SpeC kommt in vielen Arten vor

SpeC ist kein Einzelfall, und genau darin liegt die weiterreichende Aussage. Das Team durchsuchte die Gene der im Darm ansässigen Bakterien.

Die Fähigkeit, diese hitzeentstandenen Verbindungen zu zerlegen, fand sich bei vielen Arten des Darmmikrobioms. Sie ist keine Besonderheit eines einzelnen Laborstamms von E. coli.

Erica Aveta, die gemeinsam mit Patroklos Vougioukas Erstautorin ist, erkennt in dieser Verbreitung eine evolutionsbiologische Logik.

Eine Nebenreaktion kann einem Mikroorganismus zunächst Zugang zu einer neuen Nahrungsquelle verschaffen, noch bevor er über spezialisierte Mechanismen verfügt. Trifft diese Nahrung fortlaufend ein, kann die Selektion ein grobes Werkzeug zu einem präzisen machen.

Darmbakterien passen sich gekochten Lebensmitteln an

„Solche Nebenaktivitäten können Bakterien einen ersten Weg eröffnen, neue Nahrungsverbindungen zu erschließen. Wird eine solche Verbindung regelmäßig verfügbar, kann Anpassung das ‚Schweizer Taschenmesser‘ SpeC in ein effizienteres, für diese Aufgabe spezialisiertes Werkzeug verwandeln“, sagte Aveta.

Etwas Vergleichbares könnte sich bereits im lebenden Darm abspielen. In einer Studie zeigten Tiere, deren Ernährung viele dieser durch Hitze gebildeten Verbindungen enthielt, innerhalb der ersten Woche eine rasche Zunahme bestimmter Darmbakterien.

Dabei handelte es sich um Gruppen, die diese Stoffe offenbar verwerten können. Ihre Zunahme hielt an und ging zudem mit einer dauerhaften Veränderung des Fettstoffwechsels der Tiere einher.

Wie beeinflussen gekochte Lebensmittel die Gesundheit?

Die Studie stellt Verbindungen zu Krankheiten her, die mit Ernährung und Lebensstil zusammenhängen, darunter Darmkrebs, Fettlebererkrankung und Hepatitis.

Eine von den Autoren genannte Möglichkeit lautet, dass der Abbau von CML bestimmten Bakterien in einem entzündeten Darm einen Vorteil verschaffen könnte. Sie könnten dann eine Energiequelle nutzen, die ihren Nachbarn nicht zur Verfügung steht.

Beim Abbau von CML entstehen außerdem Nebenprodukte, darunter biogene Amine – kleine Moleküle, über die Forschende weiterhin als mögliche chemische Signale zwischen Darmmikroben und dem Körper diskutieren. Ihre Funktion ist nicht geklärt.

Für den Alltag ist vor allem der Ernährungsaspekt relevant. Große Bevölkerungsstudien haben bereits versucht, diese Verbindungen mit Krankheiten in Beziehung zu setzen.

Eine Analyse begleitete rund 450.000 Menschen über mehr als ein Jahrzehnt und untersuchte, wie die CML-Aufnahme mit dem Risiko für Darmkrebs zusammenhing. Die Mikroben zwischen Nahrung und Körper sind ein bislang fehlendes Element dieses Gesamtbildes.

Zusammenhänge zwischen Ernährung und Krankheit werden sichtbar

Lassak bleibt vorsichtig bei der Frage, wie weit diese Erkenntnisse reichen. Die Zusammenhänge belegen keine Ursache-Wirkungs-Beziehung; er betrachtet das Muster eher als einen Hinweis, der weiterverfolgt werden sollte, nicht als abschließendes Urteil.

Was die Arbeit eindeutig zeigt, steht für sich: Ein einzelnes Darmenzym, das Bakterien beim Wachstum unterstützt, zerlegt zugleich eine der häufigsten Verbindungen in gekochten Lebensmitteln. Dies geschieht in vielen Arten und nicht nur in einem seltenen Mikroorganismus.

Damit verändert sich, wo Forschende künftig suchen. Die Verarbeitung hitzeentstandener Lebensmittelverbindungen im Darm bietet einen konkreten Ansatzpunkt, um zu untersuchen, wie Ernährung in Richtung Krankheit wirken kann.

„Sie legen jedoch nahe, dass verarbeitete Lebensmittel, mikrobielle Stoffwechselwege und der Gesundheitszustand enger miteinander verbunden sein könnten als bislang angenommen“, sagte Hellwig.