Mit dem Taxi durch den Darm

Wie ein unscheinbares Molekül den Stoffwechsel dirigiert – und warum Ameisensäure dadurch so gut dasteht.

Forscher der deutschen Goethe-Universität haben eine überraschende Rolle der Ameisensäure im menschlichen Darm entdeckt: Das kleine Molekül fungiert als eine Art „Taxi“ für Elektronen – sowohl innerhalb von Bakterien als auch zwischen verschiedenen Mikroorganismen. Das Darmbakterium Blautia luti bildet die Ameisensäure für einen Stoffwechseltrick, mit dem es flexibel auf das Angebot im Darm reagieren kann.

Zu den Trillionen von Mikroorganismen im menschlichen Darm gehört auch Blautia luti . Wie viele Darmbakterien baut es unverdauliche Nahrungsbestandteile ab. Bei diesem Prozess entsteht Essigsäure (Acetat) – ein Energielieferant für unsere Darmzellen und ein Signalstoff, der über die Darm-Hirn-Achse unser Wohlbefinden beeinflusst.

B. luti lebt im Darm unter Luftabschluss und kann nicht atmen, sondern nur gären. Dabei werden Kohlenhydrate zu Laktat, Succinat, Ethanol, Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt, die als Endprodukte des Stoffwechsels ausgeschieden werden. Zu viel Wasserstoff im Darm ist ungesund, da es die weitere Vergärung hemmt. Daher verbrauchen einzellige Lebewesen, Archaeen, den Wasserstoff. Sie stellen daraus Methan her und regulieren so den Wasserstoffhaushalt im Darm. Wasserstoff agiert als Elektronentaxi innerhalb eines Bakteriums und zwischen unterschiedlichen Bakterien.

Taxis für den Elektronentransport

Dieser Vorgang ist mit einem starken Energieverlust verbunden und unvorteilhaft für die Bakterien. B. luti hat eine zusätzliche, bessere Möglichkeit. Wie Raphael Trischler und Prof. Volker Müller vom Lehrstuhl für molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik zeigen, produziert B. luti an Stelle von Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff Ameisensäure (Formiat), in der Wasserstoff an CO₂ gebunden ist. In diesem Fall ist die Ameisensäure das Elektronentaxi und die aufwendige Wasserstoffproduktion kann so umgangen werden.

Für die Ameisensäureproduktion nutzt B. luti das Enzym Pyruvat-Formiat-Lyase. Dieses Enzym ist für acetogene Bakterien ungewöhnlich. „Die Elektronen werden in der Ameisensäure gespeichert.“

Aber auch Ameisensäure ist ungesund, wenn die Konzentrationen zu hoch werden. B. luti entgiftet die Ameisensäure zusammen mit CO₂ im Wood-Ljungdahl-Weg (WLW) zu Acetat. Im WLW wird CO₂ über zwei verschiedene „Äste“ umgewandelt und am Ende zu Essigsäure zusammengesetzt.

Ameisensäure als Elektronenspeicher

Im ersten Ast wird CO₂ normalerweise durch ein spezielles Enzym – die Formiat-Dehydrogenase – mit Wasserstoff zu Ameisensäure umgewandelt. „Doch B. luti fehlt die Formiat-Dehydrogenase komplett“, erklärt Trischler, der das Bakterium für seine Doktorarbeit untersucht hat. Stattdessen verwendet B. luti die Ameisensäure direkt. Der Zucker-Abbau auf der einen Seite und die Essigsäure-Produktion auf der anderen sind somit über die Ameisensäure miteinander verbunden – ein geschickter Weg, der dem Bakterium einen energetischen Vorteil verschafft.

In der beobachteten Laborkultur scheidet B. luti Ameisensäure aus. Im komplexen Nahrungsgeflecht des Darms ist das anders, Ameisensäure reichert sich dort nicht an. Methanbildende Archaeen können Ameisensäure zu Methan umsetzen, aber auch B. luti hat noch einen Trick parat. Für die Reduktion von Ameisensäure im WLW braucht es Elektronen, die bei der Gärung aus dem Kohlenhydrat stammen. Auch Gase, die von anderen Bakterien produziert werden, nutzt B. luti . „In Gegenwart von Wasserstoff verschwindet die Ameisensäure komplett“, sagt Trischler.

Bemerkenswert sei die Fähigkeit von B. luti , Kohlenmonoxid zu verwerten. Dieses giftige Gas entsteht im menschlichen Körper beim natürlichen Abbau von Hämoglobin. „ B. luti kann vom Körper selbst produziertes Kohlenmonoxid mit Ameisensäure entgiften“, erläutert Müller. Das erkläre auch, warum so viele Darmmikroben das Enzym Kohlenmonoxid-Dehydrogenase besitzen.

Nützliche Nebeneffekte

B. luti hat eine weitere, nützliche Eigenschaft für den Menschen: Neben Acetat produziert es Succinat (Bernsteinsäure). Succinat fördert das Wachstum anderer nützlicher Darmbakterien, stimuliert das Immunsystem und ist zudem ein industriell wertvoller Rohstoff für biotechnologische Anwendungen.

Die Studie verdeutlicht, wie vielfältig die Stoffwechselstrategien im Darm sind. „Selbst innerhalb verwandter Bakteriengruppen gibt es faszinierende Unterschiede“, sagt Müller.