Artikel zur Langlebigkeit

Optogenetik gibt Darmbakterien grünes Licht zur Förderung der Langlebigkeit

Optogenetik gibt Darmbakterien grünes Licht zur Förderung der Langlebigkeit

Früher wurde angenommen, dass die Bakterien, die in unserem Darm leben, ausschließlich eine Rolle bei der Verdauung von Nahrungsmitteln und der Synthese bestimmter Vitamine spielen. Heute weiß man jedoch, dass sie noch viel mehr tun. Mit einer Zahl von über 100 Billionen wird diese Ansammlung von Bakterien als Darmmikrobiom bezeichnet. Zusätzlich zu seiner vorhersehbaren Rolle bei der Förderung der Darmgesundheit hat die Forschung auch herausgefunden, dass das Mikrobiom eine Rolle bei Immunität, Entzündungen, psychischer Gesundheit, Fettleibigkeit, Stoffwechsel, Gehirnfunktion und – neuerdings – Alterung spielt.

Diese Darmmikroben produzieren auch verschiedene bakterielle Metaboliten, die Gesundheit und Langlebigkeit beeinflussen, worauf Forscher des Baylor College of Medicine und der Rice University in einer aktuellen Studie abzielten. Veröffentlicht in eLife im Dezember 2020 untersuchten Hartsough und Kollegen den Einfluss eines bestimmten bakteriellen Metaboliten auf den Alterungsprozess bei Würmern, indem sie grünes Licht nutzten, um die Aktivität gentechnisch veränderter Bakterien zu kontrollieren – auch bekannt als Optogenetik.

Licht kanalisieren, um die Genaktivität zu choreografieren

Die erstmals im Jahr 2005 beschriebene Optogenetik ist eine innovative Methode, die Licht zur Steuerung der Genniveaus und -aktivität nutzt. Obwohl das Gebiet der Optogenetik relativ neu ist, praktizieren bestimmte Grünalgenarten es bereits seit Milliarden von Jahren intuitiv. Das Verhalten von Algen führte zur Entdeckung der Optogenetik, da diese einzelligen Organismen Proteine ​​namens Opsine nutzen, um sich zu Lichtquellen zu bewegen und so durch Photosynthese die Energie zu erzeugen, die sie zum Überleben benötigen. 

In den letzten 15 Jahren hat die Optogenetik nicht nur das Gebiet der Neurowissenschaften revolutioniert, da die Methode am häufigsten zur präzisen Steuerung der Neuronenaktivität eingesetzt wird, sondern sie hat sich auch bei der Behandlung von Herz-, Augen- und Muskelerkrankungen als vielversprechend erwiesen. Jetzt zeigen Hartsough und Kollegen, wie Optogenetik genutzt werden kann, um die Genaktivität und den Bakterienstoffwechsel im Darmmikrobiom zu manipulieren.

Genetische Veränderungen schleichen sich ein 

Frühere Forschung vom selben Team fanden 29 Mutanten des Bakteriums Escherichia coli (E coli) – Bedeutung, Versionen von E coli mit gelöschtem Gen – längere Lebensdauer des Wurms Caenorhabditis elegans (C. elegans) um bis zu 40 Prozent

Von da an grenzten die Forscher die Zahl auf fünf Bakterienmutanten ein, die die Langlebigkeit durch eine erhöhte Sekretion einer Zuckerart fördern, die auf der Außenseite vieler Darmmikroben vorkommt und Colansäure genannt wird. Konkret einer der E coli bakterienmutanten haben ein Gen namens gelöscht Lon, das für ein Protein kodiert, das den Kolansäurespiegel senkt; Würmer ohne Lon es wurde festgestellt, dass sie eine deutlich längere Lebensdauer haben. 

Aufbauend auf dieser früheren Studie wollten Hartsough und Kollegen die Lebensdauer verlängern C. elegans indem man ihnen einen gentechnisch veränderten Stamm füttert E coli das die Sekretion von Colansäure erhöht, wenn es grünem Licht ausgesetzt wird.

diese Studie zielte darauf ab, die Lebensdauer von C. elegans zu verlängern, indem man ihnen einen gentechnisch veränderten E. coli-Stamm verfütterte, der die Sekretion von Colansäure erhöht, wenn er grünem Licht ausgesetzt wird.

 

Bakterien ans Licht bringen 

Mithilfe fluoreszierender Reporterproteine, die auf bestimmte Farben reagieren, entwickelten die Forscher einen Stamm von E coli um die Colansäureproduktion bei Einwirkung von grünem Licht zu erhöhen und bei Einwirkung von rotem Licht zu deaktivieren. Nachdem die Bakterien an die Würmer verfüttert wurden, leuchtet grünes Licht auf das transparente Objekt C. elegans steigerten ihre Colansäureproduktion und verbesserten mehrere Aspekte des Lebens der Würmer erheblich, darunter die Gesamtlebensdauer und die Funktion ihrer Darmmitochondrien – auch bekannt als die Energiekraftwerke der Zelle. 

Wenn sie einer geringen Einwirkung von grünem Licht ausgesetzt werden, enthalten die Würmer diesen Colansäure-Booster E coli der Stamm lebte etwa 12 Tage, verglichen mit 11 Tagen, als die Würmer rotem Licht ausgesetzt waren. Wenn die Intensität des grünen Lichts erhöht wurde, verlängerte sich die Lebensdauer auf etwa 14 Tage. Dies weist darauf hin, dass die zusätzliche Colansäure, die nach der Einwirkung von grünem Licht produziert wird, die Lebensdauer in dosisabhängiger Weise fördert – das heißt, je intensiver die Einwirkung von grünem Licht, desto länger das Leben. Wenn sich diese Ergebnisse in gleicher Weise auf den Menschen auswirken würden, würde der Mensch 8 bis 24 Jahre länger leben, wenn man von einer durchschnittlichen Lebenserwartung von 79 Jahren ausgeht. Allerdings können wir diese Forschung nicht direkt auf den Menschen übertragen – und es wurden noch keine Untersuchungen am Menschen durchgeführt – Es deutet darauf hin, dass eine Erhöhung der Colansäureproduktion auf diese Weise zu einer längeren Lebensdauer führen kann.

Colansäure schützte auch die Darmmitochondrien vor stressbedingter Fragmentierung, auch bekannt als Mitochondrienspaltung. Da Mitochondrien hochdynamische Teile der Zelle sind, verschmelzen sie häufig miteinander und fragmentieren sich. Während die Fragmentierung der Mitochondrien eine schützende Reaktion sein kann – sie kann beschädigte Mitochondrien trennen und beseitigen –, wirkt sich ein zu großer Teil dieses Prozesses negativ auf die gesamte Funktion der Mitochondrien aus. Da eine mitochondriale Dysfunktion mit einer beschleunigten Alterung einhergeht, haben Studien an Hefen und Würmern ergeben, dass die Hemmung dieser Fragmentierung mit einer erhöhten Lebenserwartung verbunden ist. 

Nachdem Stresszustände hervorgerufen wurden, unterdrückte die Einwirkung von grünem Licht die mitochondriale Hyperfragmentierung, die im Darmtrakt dieser Würmer auftrat, deutlich. Die Forscher gehen davon aus, dass dieser Schutzeffekt auf die Darmzellen auf die Überproduktion von Colansäure im Darm zurückzuführen ist. 

Obwohl sich diese Forschung mit dem Altern befasste, befasste sie sich nicht mit bestimmten Krankheiten. Das Team geht davon aus, dass die Manipulation von Darmbakterien zur Produktion von mehr Colansäure bald zur Behandlung vieler anderer altersbedingter Erkrankungen eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus hoffen sie, dass die Optogenetik durch die Untersuchung verschiedener Metaboliten von Darmbakterien weitere Möglichkeiten aufzeigen wird, die menschliche Gesundheit positiv zu beeinflussen. Dafür gibt es von uns grünes Licht. 


Verweise: 

Han B, Sivaramakrishnan P, Lin CJ, et al. Mikrobielle genetische Zusammensetzung stimmt die Langlebigkeit des Wirts ab.  Zelle. 2017;169(7):1249-1262.e13. doi:10.1016/j.cell.2017.05.036

Hartsough LA, Park M, Kotlajich MV, et al. Optogenetische Kontrolle des Darmbakterienstoffwechsels zur Förderung der Langlebigkeit. Elife. 2020;9:e56849. Veröffentlicht am 16. Dezember 2020. doi:10.7554/eLife.56849



Älterer Eintrag Neuerer Beitrag