Bakterien tragen zur Modulation tierischen Verhaltens bei

Forschungsteam des Kieler SFB 1182 zeigt am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra, wie Nervenzellen und Mikroorganismen zusammenarbeiten, um das Fressverhalten der Tiere zu steuern.

Ein immer wichtigeres Arbeitsgebiet in den modernen Lebenswissenschaften ist die Erforschung des symbiotischen Zusammenlebens von Tier, Pflanze und Mensch mit ihren spezifischen mikrobiellen Besiedlungen. Forschende haben in den vergangenen Jahren immer mehr Belege zusammengetragen, die für eine entscheidende Rolle der Zusammensetzung und Balance des Mikrobioms für die Funktion und die Gesundheit des Gesamtorganismus sprechen. Einen fundamental bedeutenden Aspekt in diesen funktionalen Beziehungen haben sie in der Kommunikation zwischen Nervenzellen des Wirts und seinem Mikrobiom identifiziert, die sich bereits sehr früh in der Evolution erstmals etabliert hat. Welche Bedeutung diese Zusammenarbeit hat und wie sich diese Interaktionen auf das Verhalten auswirken, ist noch weitgehend unbekannt.
Ein Forschungsteam des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat in einer aktuellen Studie neue Erkenntnisse über die Zusammenarbeit von Nervensystem und Mikrobiom gesammelt. Am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra untersuchten die Kieler Forschenden die neuronalen Grundlagen des Fressverhalten und ob und in welcher Weise das Mikrobiom in dieses Verhalten eingreift. Dabei konnten sie erstmals mechanistisch belegen, dass ein in seiner Vielfalt reduziertes Mikrobiom die Aktivität bestimmter Nervenzellen beeinflusst und dadurch das Fressverhalten beeinträchtigt wird. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten sie heute in der renommierten Fachzeitschrift Current Biology.

Komplexe Zusammenarbeit von Nervenzellen steuert das Fressverhalten von Hydra

Der Süßwasserpolyp Hydra ist ein etwa einen Zentimeter großes Nesseltier, das im Flachwasserbereich von Seen an Wasserpflanzen angeheftet lebt und sich unter anderem von mikroskopisch kleinen Krebstieren ernährt. Um seine Beute zu fangen, ruft Hydra ein koordiniertes und relativ schnell ablaufendes Verhaltensprogramm ab. „Dieses Verhalten lässt sich experimentell gut untersuchen, da es nicht nur durch die lebende Beute, sondern auch durch das Peptid Glutathion ausgelöst werden kann, das man den Tieren in den Kulturschalen zuführen kann“, erklärt Christoph Giez, SFB 1182-Mitglied und Doktorand in der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie am Zoologischen Institut. „Dem Fressverhalten liegt eine neuronale Steuerung zugrunde, die deutlich komplexer ist, als man es bisher vom einfachen Nervennetz der Hydra angenommen hatte“, so Giez weiter. Mit einer kalzium-basierten Visualisierungsmethode konnte das Kieler Team die am Fressverhalten beteiligten Nervenpopulationen in Echtzeit im lebenden Tier beobachten und so den beteiligten neuronalen Schaltkreis identifizieren.

Zusammensetzung des Mikrobioms beeinflusst natürliches Fressverhalten

Um einen Zusammenhang von Mikrobiom und Fressverhalten zu überprüfen, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zunächst künstlich keimfrei gemachte Tiere: Hydren ohne Mikrobiom zeigten ein deutlich verändertes Verhaltensmuster, dass sich vor allem in einer kürzeren Dauer der Mundöffnung äußerte. „Durch das erneute Hinzufügen des Mikrobioms stellte sich das normale Fressverhalten bei diesen Tieren wieder ein. Damit konnten wir den direkten Einfluss des Mikrobioms nachweisen“, betont Giez.

Um herauszufinden, welche Bakterien einen besonders deutlichen Einfluss haben, besiedelten die Kieler Forscher im nächsten Schritt keimfreie Tiere zunächst mit je einer definierten Bakterienart. „Ein besonders interessanter Effekt zeigte sich bei der Besiedlung mit dem Bakterium Curvibacter. Das Fressverhalten ist bei Tieren, die nur mit Curvibacter besiedelt sind, sehr stark beeinträchtigt: Diese Tiere können den Mund nur noch sehr eingeschränkt öffnen“, so Giez weiter.

In weiteren Studien stellte sich heraus, dass Curvibacter die Aminosäure Glutamat produziert, die eine wichtige Rolle auch im menschlichen Stoffwechsel spielt. Wenn das Mikrobiom in seiner Zusammensetzung stark reduziert ist und nur noch Curvibacter vorhanden ist, sammelt sich Glutamat an, bindet an Neuronen und führt zu einer Blockade der Mundöffnung. Der hemmende Effekt der Curvibacter-Bakterien wird aufgehoben, sobald man dem Gewebe auch die restlichen Mitglieder des Mikrobioms wieder zuführt.

„Insgesamt konnten wir so nachweisen, dass bereits in stammesgeschichtlich uralten Tieren ein vielfältiges Mikrobiom für ein normales Fressverhalten notwendig ist. Ist dieses Mikrobiom in seiner Zusammensetzung stark gestört, kommt es zu deutlichen Verhaltensänderungen“, fasst Professor Thomas Bosch, Leiter der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie, zusammen. Die Forschenden haben Hinweise gesammelt, dass dies auf Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Mitgliedern des Mikrobioms beruht. Liegt ein artenreiches, „normales“ Mikrobiom vor, wird das produzierte Glutamat von anderen Bakterienarten aufgenommen und verwertet und der für das Fressverhalten verantwortliche neuronale Schaltkreis nicht gestört.

Hydra eröffnet Spektrum neuartiger Forschungsperspektiven

Die neuen Forschungsergebnisse des SFB 1182-Teams liefern mit ihrem mechanistischen Nachweis der Zusammenarbeit von Mikrobiom und Nervensystem wichtige neue Ansätze für vertiefende Forschungsarbeiten. „Unsere Studie öffnet die Tür für die weitere Erforschung der Auswirkungen des Zusammenspiels von Mikrobiom und Nervensystem auf die Funktionen des Gesamtlebewesens. Unter anderem wollen wir in Zukunft herausfinden, ob und wie Mikroorganismen bereits an der Ausbildung des Nervensystems während der Embryonalentwicklung beteiligt sind und welchen Anteil das Mikrobiom an der Herstellung von Neurotransmittern hat“, betont Bosch.

Langfristig ergeben sich aus der Aufklärung dieser Einzelbausteine verschiedene faszinierende Forschungsperspektiven, die auch auf eine Verbesserung der menschlichen Gesundheit abzielen. „Vielleicht gelingt uns mit einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Nervenzellen und Bakterien im Modelltier Hydra auch ein Blick in die Mechanismen, die zu neurologischen und neurodegenerativen Krankheiten des Menschen führen können. Obwohl das Vorkommen dieser Erkrankungen weltweit sehr hoch ist, sind die Mechanismen ihrer Pathogenese noch nicht verstanden“, so Bosch, Sprecher des SFB 1182.

Fotos stehen zum Download bereit:

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2023/289-giez-currbio-eating.jpg
Bildunterschrift: Diese Sequenz zeigt das koordinierte und relativ schnell ablaufende Verhaltensprogramm, das Hydra zur Nahrungsaufnahme abruft und das mit der Mundöffnung endet (ganz rechts).
© Christoph Giez

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2023/289-giez-currbio-staining.jpg
Bildunterschrift: Abgebildet sind die Nervenzellen, die bei Hydra am Fressverhalten beteiligt sind: In Blau sind alle Zellen der Populationen N3 und N4 markiert; die Population N6 ist die wegen eines spezifischen Neuropeptids in Gelb eingefärbt.
© Christoph Giez

https://www.uni-kiel.de/de/pressemitteilungen/2023/289-giez-currbio-author.jpg
Bildunterschrift: Christoph Giez aus der Arbeitsgruppe von Prof. Bosch untersuchte gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen die neuronalen Grundlagen des Fressverhaltens bei Hydra und den Einfluss des Mikrobioms auf dieses Verhalten.
© Christoph Giez

Weitere Informationen:

Zell- und Entwicklungsbiologie (AG Bosch),
Zoologisches Institut, CAU:
https://www.bosch.zoologie.uni-kiel.de

SFB 1182 “Entstehen und Funktionieren
von Metaorganismen”, CAU:
https://www.metaorganism-research.com

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Thomas Bosch,
Sprecher SFB 1182
„Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Originalpublikation:

Christoph Giez, Denis Pinkle, Yan Giencke, Jörg Wittlieb, Eva Herbst, Tobias Spratte, Tim Lachnit, Alexander Klimovich, Christine Selhuber-Unkel, Thomas Bosch (2023): Multiple neuronal populations control the eating behavior in Hydra and are responsive to microbial signals. Current Biology First published: 22. November 2023
https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.10.038

Weitere Informationen:

https://www.bosch.zoologie.uni-kiel.de
https://www.metaorganism-research.com