Eine Mutter gibt ihrem Baby alles: Liebe, Umarmungen, Küsse … und eine starke Bakterienarmee.

Diese einfachen Zellen, die bei der Geburt und in den folgenden Monaten des intimen Kontakts von der Mutter zum Baby wandern, bilden die ersten Keime des Mikrobioms des Kindes – die sich entwickelnde Gemeinschaft symbiotischer Mikroorganismen, die an das gesunde Funktionieren des Körpers gebunden sind. Forscher des Broad Institute des Massachusetts Institute of Technology und der Harvard University haben kürzlich die erste großangelegte Untersuchung durchgeführt, wie sich die Mikrobiome einer Mutter und ihres Säuglings im ersten Lebensjahr gemeinsam entwickeln. Ihre neue Studie, veröffentlicht in Zelle fanden im Dezember heraus, dass diese mütterlichen Beiträge nicht auf ganze Zellen beschränkt sind. Kleine DNA-Schnipsel, sogenannte mobile genetische Elemente, springen sogar Monate nach der Geburt von den Bakterien der Mutter zu den Bakterien des Babys.

Diese bei der Kultivierung des Mikrobioms eines Säuglings noch nie dagewesene Art der Übertragung könnte eine entscheidende Rolle bei der Förderung von Wachstum und Entwicklung spielen. Das Verständnis, wie sich das Mikrobiom eines Kindes entwickelt, könnte erklären, warum manche Kinder für bestimmte Krankheiten anfälliger sind als andere, sagten die Forscher Victoria Carr, ein leitender Bioinformatiker am Wellcome Sanger Institute, der nicht an der Studie teilnahm.

„Es ist eine große Frage: Wie bekommen wir unsere Mikroben?“ sagte Nicola Segata, ein Professor an der Universität Trient in Italien, der ebenfalls nicht Teil der Studie war.

Unser Körper beherbergt ungefähr so ​​viele Bakterienzellen wie menschliche Zellen, und die meisten von ihnen leben in unserem Darm. Jeder von uns beherbergt enorm vielfältige Bibliotheken von Bakterienarten und -stämmen, die im Laufe des Lebens erworben wurden. Aber Babys beginnen fast unfruchtbar. Es wird angenommen, dass die erste große Infusion von Mikroben während der Geburt von der Mutter kommt, wenn das Kind die Gebärmutter verlässt. Dieses bakterielle Geschenk schafft das Gerüst für eine blühende mikrobielle Gemeinschaft im Körper, die uns für den Rest unseres Lebens ernährt. (Säuglinge, die durch einen Kaiserschnitt geboren wurden, erhalten nicht die gleiche anfängliche Infusion von Mikroben, die Babys bei einer vaginalen Geburt erhalten, aber sie sammeln sie später langsam.)

Eine der Wirkungen des Mikrobioms, erklärte Segata, besteht darin, das Immunsystem und den Stoffwechsel seines Wirts während der ersten Lebensjahre zu konditionieren. Diese Erstausbildungstage „können weitreichende Folgen haben, die derzeit noch schwer nachvollziehbar sind“, sagte er.

Das liegt daran, dass die vom Mikrobiom hergestellten Metaboliten oder chemischen Stoffwechselprodukte die kognitive Entwicklung und die Entwicklung des Immunsystems eines Babys beeinflussen sollen, insbesondere während einer sensiblen Phase in den 1,000 Tagen vor und nach der Geburt, sagte er Karolina Jabar, ein Internist und Forscher an der Universität Göteborg, der Co-Hauptautor des neuen Papiers ist.

In der neuen Studie, geführt von Ramnik Xavier, dem Direktor des Klarman Cell Observatory am Broad Institute, sammelten die Forscher Stuhlproben von 70 Paaren von Müttern und ihren Babys, beginnend früh in der Schwangerschaft und fortgesetzt für das erste Jahr des Babys. Die Forscher untersuchten dann die in den Proben vorhandene Mischung von Mikroben und Verbindungen und führten genetische Analysen durch, um festzustellen, welche Arten und welche Mikrobenstämme vorhanden waren. Mit diesen Daten konnten sie sehen, wie sich die Mikrobiome der Mütter und Babys während dieser Zeit gemeinsam entwickelt haben.

Wie sie erwartet hatten, unterschieden sich die Mikrobiome der Säuglinge von denen ihrer Mütter, und der Einfluss der Ernährung auf ihre Mikrobiome war klar. Die Säuglinge hatten Hunderte von Metaboliten, die ihre Mütter nicht hatten.

Die große Überraschung für das Team war, dass selbst wenn einem Baby nützliche Bakterienstämme in der Mutter fehlten, das Mikrobiom des Babys immer noch Schnipsel von Genen enthielt, die zu diesen Stämmen gehörten.

„Wie könnte die Art die mikrobielle Zusammensetzung des Säuglings beeinflussen, ohne selbst Teil davon zu sein?“ sagte Jabbar. Sie und ihre Laborkollegen begannen sich zu fragen, ob dies durch horizontalen Gentransfer erklärt werden könnte, ein skurriler Prozess, bei dem Gene von einer Art zu einer anderen Art springen, anstatt an die Nachkommen weitergegeben zu werden. Horizontale Gentransfers sind in Bakteriengemeinschaften üblich – sie tragen zum Beispiel stark zur Verbreitung antibiotikaresistenter Gene in einer Vielzahl von Krankheitserregern bei – und es wurde auch festgestellt, dass sie vorkommen bei vielzelligen Organismen.

Dennoch waren die Forscher nicht darauf vorbereitet, Hunderte von Genen zwischen Bakteriengemeinschaften hin- und herspringen zu sehen – vom Mikrobiom der Mutter bis zum Mikrobiom des Babys. „Das ist eines dieser Dinge, an die man zunächst selbst nicht glaubt“, sagte er Tommi Vatanen, der wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Helsinki und Co-Hauptautor des Papiers ist.

Die Forscher spekulieren, dass horizontale Gentransfers am offensichtlichsten sind, wenn Bakterien, die im Darm der Mutter gedeihen, in der ungewohnten Umgebung des Darms des Säuglings nicht überleben können. Mütterliche Bakterien können durch die Muttermilch oder als freigesetzte Sporen, die der Säugling schluckt, in den Körper des Säuglings gelangen. Einige Bakterien werden den Körper des Kindes zwangsläufig nicht besiedeln und verschwinden. Aber sie könnten lange genug anhalten, damit bestimmte Gensequenzen in erfolgreichere Bakterien springen können. Wenn sich diese genetischen Sequenzen in den Genomen von Bakterien im Darm des Babys verwurzeln, können sie die Funktionen übertragen, die sie codieren.

„Die Tatsache, dass selbst eine vorübergehende Existenz einer Spenderzelle solche Auswirkungen auf diese persistenten Zellen haben kann, ist wirklich faszinierend“, sagte Carr.

In einigen Fällen wurde dieser Hopfen möglicherweise durch Prophagen ermöglicht – ruhende Viren, die sich in Bakterien replizieren. In der stressigen Umgebung des Darms des Babys können Prophagen aktiv werden und beginnen, sich zwischen Bakterien zu bewegen, wobei sie eingebettete bakterielle Gene mit sich führen.

Bei ihrer Analyse von Stuhlproben von Säuglingen identifizierten Vatanen, Jabbar und ihre Kollegen ein offensichtliches Beispiel: Ein Prophagen, der in die DNA einer Bakterienart integriert war, tauchte Monate später in einem anderen Bakterium auf.

„Das ist ein ziemlich überzeugender Beweis dafür, dass dieser bestimmte Phage zwischen zwei verschiedenen Arten hin- und hergesprungen ist“, sagte Vatanen. Die Forscher fanden auch heraus, dass Gene auf andere Weise zwischen Bakterienarten hin- und herspringen, beispielsweise durch direkten Zell-zu-Zell-Kontakt oder durch eine Bakterienzelle, die in die Umwelt freigesetzte DNA verschlingt.

Eine große Gruppe von Genen, die sprangen, codierte die zelluläre Maschinerie, die horizontale Gentransfers ermöglicht. Andere mobile Sequenzen halfen beim Kohlenhydrat- und Aminosäurestoffwechsel und könnten daher den Bakterien großen Nutzen gebracht haben. Die Ergebnisse deuten zum Beispiel darauf hin, dass Gene, die mit der Verdauung von Kohlenhydraten in der Muttermilch zusammenhängen, auf diese Weise von Müttern an Säuglinge weitergegeben werden könnten, sagte Jabbar. Die Forscher wissen nicht genau, ob die horizontalen Übertragungen dem Baby direkt zugute kommen, aber durch den Aufbau eines leistungsfähigeren Darmmikrobioms können sie bei der Entwicklung des Immunsystems des Babys helfen.

Einige dieser genetischen Sequenzen tauchten Monate nach der Geburt in neuen Bakterien auf, was darauf hindeutet, dass die Übertragungen während dieser Zeit fortgesetzt wurden. Es ist nicht klar, ob Übertragungen auch vor der Geburt stattfanden, aber die Forscher fanden heraus, dass sich das Mikrobiom der Mutter während der Schwangerschaft entwickelt hat. Einige der Veränderungen schienen wahrscheinlich die Fähigkeit des Körpers zu beeinträchtigen, Glukose zu tolerieren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Diabetes, den manche Menschen während der Schwangerschaft entwickeln, mit dem Mikrobiom in Verbindung gebracht werden könnte.

Als die Forscher den Säuglingen Stuhlproben entnahmen, entnahmen sie auch Proben ihrer Immunzellen. Jetzt planen sie, diese Proben zu verwenden, um zu untersuchen, wie die Bakterien, die Säuglinge tragen, einschließlich der Bakterien, die diese mobilen Elemente enthalten, mit Immunzellen interagieren. Erkenntnisse aus diesen Experimenten könnten zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie und warum manche Menschen Allergien oder Autoimmunerkrankungen entwickeln.

Die Existenz solcher beweglicher Elemente ist bekannt, seit die bahnbrechende Genetikerin Barbara McClintock sie in den 1940er Jahren entdeckte, eine Leistung, für die sie den Nobelpreis erhielt. „Aber es wurde bis vor kurzem noch nie so tiefgehend charakterisiert“, sagte Carr. „Jetzt, da wir mehr Einblicke erhalten, stellen wir fest, dass mobile genetische Elemente tatsächlich einen größeren Einfluss haben, als wir bisher angenommen haben.“

Bei uns stellt sich heraus, dass diese Wirkung schon sehr früh im Leben beginnt.