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Mikrobiom: Bakterien helfen beim Schutz bedrohter Arten

Die vielfältigen Mikroben auf und in Tieren könnten der Schlüssel zum Überleben seltener Arten sein. Fachleute beginnen jedoch erst, die Rolle des Mikrobioms bei bedrohten Tieren zu verstehen.
Der Kakapo ist ein grüner, rundlicher Papagei mit Fusseln im Gesicht.
Auch sein Darm ist ein komischer Vogel: der Kakapo.

Der in Neuseeland lebende Kakapo ist der schwerste Papagei der Welt, kann nicht fliegen und ist nachtaktiv, hat moosgrüne Federn, ein seltsames haariges Gesicht und wird bis zu 90 Jahre alt. Außerdem besteht seine Darmflora fast vollständig aus dem Bakterium Escherichia coli. Tiere tragen wie wir Menschen Billionen von Bakterien, Viren, Archaeen und Pilze im Verdauungstrakt, auf der Haut und anderswo. Diese internen Ökosysteme helfen ihnen, Nährstoffe zu gewinnen, Krankheitserreger zu bekämpfen und ihr Immunsystem zu entwickeln. Jetzt, da genetische Analysen Fortschritte machen und billiger werden, untersuchen Fachleute die charakteristischen Mikrobiome bedrohter Tierarten. Diese Einsichten können helfen, ihr Aussterben zu verhindern.

Solche Forschung habe gezeigt, dass der Kakapo innen ebenso bizarr ist wie von außen, sagt die Mikrobiologin Annie West von der University of Auckland. »Ihr Mikrobiom ist ziemlich schräg – wie alles an ihnen.« Etwa 250 Kakapos leben noch auf isolierten Inseln ohne natürliche Feinde, wo sie von Tierpflegern aus Neuseeland intensiv betreut werden. Im Jahr 2019 sammelten Fachleute frische, braungrüne Kotproben und Nestmaterial von 67 heranwachsenden Küken und sandten West das Material für DNA-Analysen.

E. coli ist auch im menschlichen Verdauungstrakt weit verbreitet, doch es macht nur einen kleinen Anteil an all den Bakterien aus, die in uns leben. Frühere Forschung hat jedoch gezeigt, dass diese Mikrobe den Darm erwachsener Kakapos dominiert. Der Anteil schwankt beträchtlich zwischen Individuen, und in manchen Fällen macht das Bakterium 99 Prozent des gesamten Mikrobioms aus. Die neue Studie von West und ihrer Arbeitsgruppe, veröffentlicht in »Animal Microbiome«, zeigt, dass schon kurz nach dem Schlüpfen des Kükens E. coli die Mehrheit der Darmmikroben ausmacht. Und die Dominanz nimmt noch zu, wenn das Küken aufwächst.

Verarmtes Gedärm

»Das ist sehr ungewöhnlich. Sähe man das bei einem Menschen, würde man sich Sorgen machen«, sagt West. Ob es dem Kakapo etwas ausmacht, ist noch unklar – aber ein so einheitliches Mikrobiom kann Grund zur Sorge sein, weil es womöglich nicht mehr alle Funktionen ausführt, die die Art braucht. »Wenn man mikrobielle Diversität verliert, verliert man potenziell auch einen Teil der Funktionalität des Mikrobioms«, fügt West hinzu. Die Fachleute stellten außerdem fest, dass andere Bakterien die Führung im Mikrobiom übernahmen, wenn sie den Küken zusätzlich spezielle Babypapageiennahrung gaben.

Das verarmte Mikrobiom des Kakapo könnte zum Teil Folge seiner extremen Seltenheit sein. Andere Studien hätten gezeigt, dass auch ein Teil der Mikroben verloren geht, wenn Tierpopulationen schrumpfen oder sich in kleinere Gruppen aufspalten, sagt Lifeng Zhu, ein nicht an der neuen Studie beteiligter Ökologe von der Nanjing Normal University. »Genau wie die Diversität von Ökosystemen oder Arten müssen wir auch die Diversität der Mikrobiome in den Körpern der Tiere bewahren«, sagt der Forscher. Klimawandel, geschädigte Lebensräume, Kontakt mit Menschen und Zeit in Gefangenschaft könnten das Mikrobiom eines Tiers drastisch verändern. Und wenn Menschen einzugreifen beginnen, um gefährdete Arten zu retten, können wir unbeabsichtigte Auswirkungen auf die mikrobiellen Welten im Inneren haben.

Zhus eigene Forschung hat ergeben, dass Riesenpandas in Zuchtstationen komplett andere Mikroben tragen als ihre wilden Artgenossen. Das rührt hauptsächlich daher, dass sie andere Nahrung fressen. Wenn sie in die freie Wildbahn entlassen werden, muss sich ihr Mikrobiom über Jahre hinweg umstellen, und in dieser Zeit werden die Pandas mit höherer Wahrscheinlichkeit krank. »Wir haben erkannt, dass Pandas auch ein Mikrobiom der Wildnis brauchen«, sagt Zhu, »und nicht nur Verhalten der Wildnis.«

Bakterien sollen Tierarten retten

Biologinnen und Biologen seien erst noch dabei zu katalogisieren, welche Mikroorganismen auf und in den meisten bedrohten Arten lebten, sagt die Meeresbiologin Elizabeth Dinsdale von der Flinders University. Sie taucht mit Haien, um Proben ihres Hautmikrobioms zu nehmen. Etwa 90 Prozent aller Organismen, die sie dort fand, sind neue Arten, und ihr Team identifizierte unterschiedliche Populationen von Walhaien anhand ihres typischen Hautmikrobioms.

Die nächste große Frage ist, was genau all diese Mikroorganismen für ihren Wirt tun. Die Sequenzierung ganzer Genome kann Hinweise darauf liefern, weil so Gene identifiziert werden, die Aufgaben erfüllen wie Pflanzenfasern zu verdauen, hohe Salzgehalte zu ertragen oder Schwermetalle unschädlich zu machen. Kulturen im Labor zu züchten, um die Rolle der Mikroorganismen zu bestimmen, ist dagegen immer noch Zeit raubend, teuer und bei vielen Mikroorganismen auch sehr schwierig. Allerdings versprechen automatisierte Verfahren, den Vorgang zu beschleunigen. So können Fachleute beobachten, wie sich Mikroben in Gemeinschaft mit anderen verhalten.

Einige Forscherinnen und Forscher experimentieren bereits mit »microbiome engineering«, bei dem sie die Mikrobenzusammensetzung gezielt verändern. Zum Beispiel reagieren die Bakteriengemeinschaften im Schleim von Korallen empfindlich auf Temperatur und Schadstoffe – zu warme Meere können die Korallen dazu bringen, ihre symbiotischen Mikroalgen auszustoßen, was man als Korallenbleiche bezeichnet.

In Australien sei man dabei zu testen, ob man Korallen klimafest machen kann, indem man sie mit »einer Art von Mikrobenelixir« behandelt, das besser an schwankende Temperaturen angepasst ist, sagt Elizabeth Dinsdale. Andere Ökologen in Australien haben gezeigt, dass es möglich ist, das Mikrobiom von Koalas durch Übertragung des Darmmikrobioms so zu verändern, dass die Beuteltiere andere Eukalyptusarten verdauen können.

Krötenwellness gegen den Killerpilz

In den USA nutzt die Arbeitsgruppe von Valerie J. McKenzie an der University of Colorado in Boulder Probiotika, um Kälte liebende Kröten in den Rocky Mountains vor einer Infektion mit einem Chytridpilz zu bewahren. Amphibien haben ein reiches Mikrobiom auf ihrer schleimbedeckten Haut, und dort greift der verheerende Pilz Batrachochytrium dendrobatidis an. Das Team um McKenzie identifizierte ein stark pilzabwehrend wirkendes Bakterium, das natürlich im Lebensraum der gefährdeten Kröte und in kleinen Mengen auf ihrer Haut vorkommt. Im Labor zeigte die Gruppe, dass die Kröten die Pilzinfektion 40 Prozent häufiger überleben, wenn sie mit der probiotischen Mikrobe imprägniert wurden.

Als Nächstes fingen die Forscherin und ihre Kollegen junge wild lebende Kröten ein und quartierten sie in heilbadartigen »Wasserhotels« ein. Dort badeten die Amphibien für 24 Stunden in dem probiotischen Bakterium, bevor sie wieder in die Freiheit entlassen wurden. Wenn die behandelten Kröten wieder eingefangen wurden, waren sie seltener krank als unbehandelte Kontrollkröten.

West hofft, dass ihre Mikrobiomforschung dereinst zu ähnlichen Behandlungen für Kakapos führen wird. Zumindest, sagt sie, sei nun die typische Darmflora der Vögel bekannt und Routineuntersuchung der Kakapo-Fäkalien könnte den Tierbetreuern frühe Hinweise auf Krankheiten geben. »Die Idee ist, dass man statt invasiver Untersuchungen Mikrobiomprofile nutzen kann, um zu sehen, ob ein Tier krank sein könnte, selbst wenn es noch keine sichtbaren Symptome hat«, sagt West. »Das wird große Auswirkungen auf Schutzprogramme haben.«

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