FRANKFURT. Zu den vielen Trillionen Mikroorganismen im menschlichen Darm gehört auch Blautia luti. Wie viele Darmbakterien baut es unverdauliche Nahrungsbestandteile, etwa Ballaststoffe wie Kohlenhydrate, ab. Bei diesem Prozess entsteht unter anderem Essigsäure (Acetat) – ein wichtiger Energielieferant für unsere Darmzellen und ein Signalstoff, der über die Darm-Hirn-Achse sogar unser Wohlbefinden beeinflussen kann.

Taxis für den Elektronentransport
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 kleine einzellige Lebewesen, die sogenannten Archaeen, den Wasserstoff. Sie stellen daraus Methan her und regulieren so den Wasserstoffhaushalt im Darm. Wasserstoff agiert sozusagen als Elektronentaxi innerhalb eines Bakteriums und zwischen unterschiedlichen Bakterien.

Dieser Vorgang ist jedoch mit einem starken Energieverlust verbunden und daher 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 der Goethe-Universität Frankfurt 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.

Ameisensäure als Elektronenspeicher
Für die Ameisensäureproduktion nutzt B. luti das Enzym Pyruvat-Formiat-Lyase. Dieses Enzym ist bei acetogenen Bakterien eher ungewöhnlich. „Die Elektronen werden quasi in der Ameisensäure gespeichert“, erläutert Trischler.

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

Nützliche Nebeneffekte
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. Aber auch Gase, die von anderen Bakterien produziert werden, kann B. luti dafür nutzen. „In Gegenwart von Wasserstoff verschwindet die Ameisensäure komplett“, berichtet Trischler.

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

B. luti hat aber noch 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. „Das zu verstehen, hilft uns, die Interaktionen verschiedener Darmbakterien und ihre Rolle für das menschliche Wohlbefinden besser zu entschlüsseln.“