Bakterien innerhalb des tierischen Mikrobioms

2019-12-04

Alltech konzentriert sich auf die Verbesserung der Vielfalt von Bakterien innerhalb des tierischen Mikrobioms

Darmgesundheit ist eine der drei Säulen der Forschung am European Bioscience Center von Alltech in Dunboyne, Irland. Die beiden anderen Säulen sind die Erforschung der Spurenelemente und der Pflanzenwissenschaften.        

Während einer Pressetour im letzten Monat hat sich FeedNavigator mit Richard Murphy, Forschungsdirektor am Zentrum zusammengesetzt, um zu erfahren, was das dortige F&E-Team unternimmt, um die Gesundheit der Nutztiere zu verbessern.

Er sagte, dass das Team seit mindestens 25 Jahren an zwei dieser Säulen – Darmgesundheit und Spurenmineralforschung – arbeitet.

"Pflanzenwissenschaften ist für uns hier jedoch ein neuer Aufbruch – wir haben erst vor kurzem mit der Arbeit in Dunboyne begonnen, obwohl Forscher innerhalb von Alltech mindestens schon 20 Jahre lang an diesem Thema gearbeitet haben."

Betreffend Darm-Gesundheit war ein starker Fokus ihrer Forschung auf dem Verständnis, wie die Keimflora, das Mikrobiom zu beeinflussen ist, und welche Arten von Vorteilen sich ergeben mit der Verbesserung der Darmgesundheit, und wie sie sich allgemein auswirkt auf Gesundheit und die Leistung der Tiere.

"Sicherlich war es in einigen der Arbeiten, mit denen wir uns in letzter Zeit beschäftigt haben, interessant, wiederkehrende Motive von Arten zu Arten zu sehen. Und das ist wichtig, denn wenn wir eine artübergreifende Gemeinsamkeit haben, ist es viel einfacher, nicht nur das Forschungsprogramm, sondern auch eine Strategie zur Förderung der Produkte zu entwickeln."

Das Forschungs- und Entwicklungs-Team in Dunboyne sei besonders erfolgreich gewesen, zu verstehen, wie man die Gesamtvielfalt von Bakterien und Einzeller innerhalb des Mikrobioms kontrollieren und verbessern kann, so Murphy weiter.

"Wir hören oft von der so genannten Dysbiose (Fehlentwicklungen im Magen-Darmtrakt) bei Geflügel, bei Schweinen und sogar bei Wiederkäuern, und sicherlich kann ein Großteil dieser Dysbiose durch eine verminderte Vielfalt von Bakterien im Darm herbeigeführt werden; demnach erhalten Sie eine größere Schutzwirkung, wenn Sie eine größere Diversität und Profile von Bakterien und Mikroben haben. Tatsächlich ist eine größere Vielfalt von Mikroben innerhalb des Magen-Darm-Traktes GIT immer mit erhöhter Gesundheit und Leistung verbunden.

"Und was wir gesehen haben, ist, dass, wenn Sie die Gesamtvielfalt verbessern können, Sie nicht nur das Tier gesünder machen, sondern auch beginnen, das Risiko eines Überhandnehmens von krankmachenden Keimen im Darm zu schließen."

Endogene Produktion von flüchtigen Fettsäuren

Historisch gesehen hat sich das Team auf E. coli und Salmonellen konzentriert und versucht zu verstehen, wie man eine Verringerung pathogener Stämme innerhalb dieser Mikrobenstämme herbeiführen kann.

"Die meisten arbeiten auf einem Agglutinationsprozess, also mit Mannan-reichen Fraktionen aus Saccharomyces-basierter Hefe, erstens um Krankheitserreger wie Salmonellen und E. coli zu binden -, zweitens sie offensichtlich daran zu hindern, sich an der Darmzellwand festzusetzen und drittens eine Kolonisation und  die Invasion im Darm zu verhindern und das äußere Aussehen von Darmzotten der behandelten Tieren zu verändern.

"Aber was wir in der letzten Zeit festgestellt haben, ist, dass diese Mannan-basierten Produkte Krankheitserreger nicht nur agglutinieren können, sie haben auch eine viel stärkere Reaktion – [die Fähigkeit], die Vielfalt innerhalb des Mikrobioms zu beeinflussen – den genauen Mechanismus dafür  das ist aber noch unbekannt. Sicherlich gibt es einen wettbewerbsorientierten Ausschluss-Effekt, denn wenn man die Vielfalt der Mikroben beeinflussen kann, macht man die tatsächliche Darmumgebung weniger günstig für das Wachstum und die Kolonisierung von Krankheitserregern."

Das Team hat auch gesehen, sagte er, dass eine Änderung des Profils der flüchtigen Fettsäure (VFA) im Cecum bei Geflügel und anderen Arten aus der Verwendung dieser mannanreichen Fraktionen hervorgeht:

"Und wir haben das mit steigenden Butyrat-Werten im Cecum verknüpft."

Solche Erkenntnisse veranlassen das F&E-Team des Alltech-Zentrums in Dunboyne, neuere Felder, sogenannte Postbiotika, zu erforschen und die Metaboliten der Bakterien innerhalb der GIT-Produkte zu bewerten.

"Wir haben diese Metaboliten Postbiotika genannt; sie können viel mächtigere Auswirkungen haben, als wir wissen. Butyrat ist eines dieser Moleküle, das nicht nur mit der Krankheitserregerkontrolle verbunden ist, sondern auch große Vorteile für den Wirt hat, da es an der post-translationalen Modifikation der Proteinreaktion innerhalb des Wirts beteiligt ist, und das kann starke Auswirkungen in Bezug auf Immunantwort und Verbesserung der «Tight Junctions» haben."

Die Idee ist, die endogene Produktion von flüchtigen Fettsäuren wie Butyrat direkt zu fördern, indem die mikrobiellen Populationen innerhalb des Magen-Darm-Traktes verändert werden.

"In der Industrie gibt es einen Schritt in Richtung Supplementierung des Futters mit Butyrat oder Produkten auf der Grundlage dieses Moleküls, aber ich glaube nicht, dass es Bereiche wie das Cecum angemessen beeinflussen kann, da sie, wenn es lokal durch einen endogene Mechanismus produziert wird, viel zielgerichteter ist", sagte Murphy.

In zusätzlichen Arbeiten hat das Team versucht, einzugrenzen, ob die mannanreichen Fraktionen eine Butyrat-produzierende Art beeinflussen oder ob sie die Butyratproduktion durch ein Phänomen fördern, das als Cross-Feeding bekannt ist, wobei Vorläuferstoffe wie Acetat stimuliert werden. 

Vor fünf Jahren hätte das Team nicht über die Techniken verfügt, um diese Art von Forschung zu betreiben. Aber Vorhersagemodelle wie Tiefsequenzierungstechniken und Bioinformatik-basierte Analysen haben die Landschaft verändert.

"Wir können damit sowohl die Veränderungen in der mikrobiellen Population verstehen, als auch wie sich die Funktion dieser Populationen wahrscheinlich verändert."

Antibiotikaresistenz

Das Team hat auch ein tieferes Verständnis der Fragen rund um antimikrobielle Resistenz bekommen.

Die relative Fähigkeit von Bakterien, gegen Antibiotika resistent zu werden, sei immens, sagte Murphy.

Die Zusammenarbeit, die das Dunboyne-Team mit Dr. Fiona Walsh an der Maynooth University in Irland durchführte, umfasste die Profilierung des Resistoms in kommerziellen Geflügelherden:

"Einige der ersten Ergebnisse dieser Arbeit waren insofern erstaunlich, als das Niveau und das Ausmaß der Resistenzen viel größer ist, als wir gedacht hätten.

Anstatt es als ein einziges Problem mit einer einzigen Resistenz zu betrachten, haben wir gezeigt, dass Sequenzen oder Antibiotikaresistenzdeterminanten vorhanden sind, die es Bakterien ermöglichen würden, gegen bis zu 25 verschiedene Klassen von Antibiotika resistent zu sein, mit über 300 separaten Widerstandsmarkern innerhalb des Magen-Darm-Traktes. Es ist immer noch ein Rätsel, warum all die da sind. Sie sind einfach da im Hintergrund. Da wir mit kommerziellen Farmen gearbeitet haben, wissen wir, dass sie sicherlich nicht alle diese Antibiotika verwendet haben, sie hätten sie nie gebraucht, und einige von den Antibiotika sind extrem selten."

Ein Forschungsgebiet des Teams konzentriert sich darauf zu erforschen, wie Bakterien dazu gebracht werden können, empfindlicher auf Antibiotika zu reagieren. Forscher können damit potenziell die Wirksamkeit von Antibiotika erhöhen. Und damit verringern sie auch die Notwendigkeit, sie breit einzusetzen, und gleichzeitig erreichen sie damit, diese Stoffe für einen umsichtigen Einsatz in der Zukunft zu konservieren.

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