Eine neue Studie zeigt, dass Bakterien im menschlichen Darm die veränderten Verbindungen abbauen können, die gebräunten, gerösteten und frittierten Speisen ihren typischen Geschmack geben.
Dafür nutzen sie ein Enzym, das ursprünglich für eine andere Aufgabe gedacht ist – und zugleich flexibel genug, mehrere dieser durch Hitze entstandenen Stoffe zu verarbeiten, statt nur einen einzigen.
Solche Verbindungen gehören heute ganz selbstverständlich zur Ernährung. Sie entstehen immer dann, wenn Lebensmittel erhitzt werden, und gelangen weitgehend unversehrt in den Dickdarm. Dort wurden sie mit Darmkrebs, Fettlebererkrankung und weiteren Beschwerden in Verbindung gebracht.
Wenn klar ist, welche Mikroben diese Stoffe abbauen – und auf welchem Weg –, lässt sich besser verstehen, wie verarbeitete Lebensmittel und Darmgesundheit zusammenhängen.
Hitze erzeugt neue Verbindungen in Lebensmitteln
Erhitzen verändert Lebensmittel nicht nur, weil es sie gart. Treffen Proteine und Zucker bei hoher Temperatur zusammen, reagieren ihre Bausteine und ordnen sich neu an – Chemiker sprechen von der Maillard-Reaktion.
Sie sorgt für die Kruste von Brot, die Röstspur an gebratenem Fleisch und die dunkle Farbe von geröstetem Kaffee.
Dabei entsteht unter anderem eine veränderte Form von Lysin, einer ganz normalen Aminosäure: Carboxymethyllysin (CML). Übliche Aminosäuren werden im Dünndarm aufgenommen und vom Körper genutzt.
CML dagegen meist nicht. Es passiert den Dünndarm und erreicht den Dickdarm – dort, wo die Bakteriendichte im Darm am höchsten ist. Genau dieser letzte Abschnitt machte das Thema für die Forschenden interessant: Was der Körper nicht verdauen kann, wird für Mikroben weiter unten im Verdauungstrakt entweder zur Nahrungsquelle oder zum Problem.
Für CML und chemisch verwandte Stoffe war dieser Übergang von menschlicher Verdauung zu bakterieller Verdauung bislang kaum beschrieben.
Darmbakterien übernehmen den Abbau
Geleitet wurde die Arbeit von Dr. Jürgen Lassak an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU). Er ist Mikrobiologe und untersucht, wie Bakterien mit ungewöhnlichen Aminosäuren umgehen.
Die chemische Expertise kam von seinem Kooperationspartner, dem Lebensmittelchemiker Michael Hellwig an der Technischen Universität Dresden (TU Dresden).
Im Mittelpunkt steht das Enzym SpeC, das ohnehin zur „Standardausrüstung“ der Zelle gehört. Normalerweise hilft es dem Bakterium beim Aufbau eines kleinen Moleküls, das es fürs Wachstum benötigt: Es spaltet dabei ein Stück von einer Aminosäure ab und setzt Kohlendioxid frei.
Die neue Studie zeigt, dass SpeC eine vergleichbare Spaltung auch an CML vornehmen kann – an einer Verbindung, von der man zuvor nicht annahm, dass sie zu seinem Repertoire gehört.
Ein Enzym baut mehrere Hitzeprodukte ab
Besonders bemerkenswert ist die Breite dieser Fähigkeit. SpeC behandelt CML nicht als Ausnahme, sondern kann eine ganze Reihe hitzeveränderter Aminosäuren umsetzen – weshalb das Team das Enzym mit einem Schweizer Taschenmesser vergleicht.
„The bacteria do not need to develop entirely new tools for this task. Instead, they repurpose their existing repertoire in a creative way,“ sagte Lassak.
Damit beschrieben die Forschenden ein bekanntes Enzym mit einer Nebenfunktion – nicht ein speziell auf CML ausgerichtetes „CML-Fresser“-Enzym.
Eine frühere Studie hatte bereits gezeigt, dass ganze Darmgemeinschaften von Menschen, die viele stark verarbeitete Lebensmittel essen, CML abbauen können. Sie nannte sogar wahrscheinliche bakterielle Verursacher, ohne jedoch das Enzym selbst zu identifizieren.
Mit der Benennung von SpeC kommt die Forschung einen Schritt weiter: Der Blick verschiebt sich von der Frage, welche Bakterien beteiligt sind, hin zu der Frage, welche molekulare Maschine die Arbeit erledigt.
Das Enzym kommt in vielen Arten vor
SpeC ist kein Einzelfall – und genau das ist die übergeordnete Aussage. Das Team durchsuchte die Gene, die von den im Darm lebenden Bakterien getragen werden.
Die Fähigkeit, diese durch Hitze gebildeten Verbindungen zu zerlegen, fand sich bei zahlreichen Arten des Darmmikrobioms. Es handelt sich also nicht um eine Besonderheit eines einzelnen Laborstamms von E. coli.
Erica Aveta, die sich die Erstautorenschaft mit Patroklos Vougioukas teilt, erkennt darin eine evolutionsbiologische Logik.
Eine Nebenreaktion kann einem Mikroorganismus einen ersten Zugang zu einer neuen Nahrungsquelle verschaffen, noch bevor er dafür spezialisierte Werkzeuge besitzt. Taucht diese Nahrung dann regelmäßig auf, kann Selektion aus einem groben Werkzeug ein präzises machen.
Darmbakterien passen sich an gekochte Nahrung an
„Such side activities can give bacteria an initial route to access new dietary compounds. If such a compound becomes regularly available, adaptation can turn the ‘Swiss pocket knife’ SpeC into a more efficient tool specialized for this task,“ sagte Aveta.
Ähnliches könnte bereits im lebenden Darm ablaufen. In einer Studie zeigten Tiere, die eine Ernährung mit vielen dieser hitzeentstandenen Verbindungen erhielten, innerhalb der ersten Woche eine schnelle Zunahme bestimmter Darmbakterien.
Das waren jene Gruppen, die offenbar in der Lage sind, diese Stoffe als Nahrung zu nutzen. Der Anstieg blieb bestehen. Gleichzeitig ging er mit einer anhaltenden Veränderung darin einher, wie die Tiere Fette verarbeiteten.
Wie beeinflussen gekochte Lebensmittel die Gesundheit?
Die Studie stellt Bezüge zu Erkrankungen her, die mit Ernährung und Lebensstil zusammenhängen – darunter Darmkrebs, Fettlebererkrankung und Hepatitis.
Eine Möglichkeit, die die Autorinnen und Autoren ansprechen: Der Abbau von CML könnte bestimmten Bakterien in einem entzündeten Darm einen Vorteil verschaffen. Sie könnten dann einen Brennstoff nutzen, der für andere Mikroben nicht verfügbar ist.
Außerdem entstehen beim Zerlegen von CML Nebenprodukte, darunter biogene Amine – kleine Moleküle, über deren mögliche Rolle als chemische Signale zwischen Darmmikroben und dem Körper weiterhin diskutiert wird. Ihre Funktion ist bislang nicht geklärt.
Der Ernährungsaspekt macht das Thema alltagsrelevant. Große Bevölkerungsstudien haben bereits versucht, diese Verbindungen mit Krankheiten in Zusammenhang zu bringen.
In einer Auswertung wurden rund 450,000 Menschen über mehr als ein Jahrzehnt beobachtet, um zu prüfen, wie die CML-Aufnahme mit dem Risiko für kolorektalen Krebs zusammenhängt. Die Mikroben zwischen Nahrung und Körper sind in diesem Bild ein fehlendes Teil.
Hinweise auf Zusammenhänge zwischen Ernährung und Krankheit
Lassak bleibt bei der Einordnung vorsichtig. Die beobachteten Zusammenhänge belegen keine Ursache-Wirkungs-Beziehung, und er versteht das Muster eher als Ansatzpunkt für weitere Forschung denn als abschließendes Urteil.
Unabhängig davon steht ein Ergebnis für sich: Ein einzelnes Darms-Enzym, das Bakterien eigentlich beim Wachstum unterstützt, kann auch eine der häufigsten Verbindungen aus erhitzter Nahrung zerlegen. Und das in vielen Arten – nicht nur in einem seltenen Keim.
Damit ändert sich vor allem, wo Forschende künftig suchen. Wie der Darm mit hitzeveränderten Nahrungsstoffen umgeht, liefert einen konkreten Ansatz, um besser zu verstehen, wie Ernährung in Richtung Krankheit kippen kann.
„They do suggest that processed food, microbial metabolic pathways, and health status may be more closely connected than previously assumed,“ sagte Hellwig.
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