Nerver styrer kroppens bakterielle samfund

Et centralt aspekt af biovidenskab er at udforske det symbiotiske samliv mellem dyr, planter og mennesker med deres specifikke bakteriesamfund. Forskere omtaler det fulde sæt af mikroorganismer, der lever på og inde i en værtsorganisme, som mikrobiomet. I løbet af de seneste år, beviser har akkumuleret, at sammensætningen og balancen af ​​dette mikrobiom bidrager til organismens sundhed. For eksempel, ændringer i sammensætningen af ​​bakteriesamfundet er impliceret i oprindelsen af ​​forskellige såkaldte miljøsygdomme. Imidlertid, det er stadig stort set ukendt, hvordan samarbejdet mellem organisme og bakterier fungerer på molekylært niveau, og hvordan mikrobiomet og kroppen præcist fungerer som en funktionel enhed.

Et vigtigt gennembrud i at tyde disse meget komplekse forhold er nu blevet opnået af et forskerhold fra Kiel Universitets Zoologiske Institut. Ved at bruge ferskvandspolyppen Hydra som modelorganisme, de Kiel-baserede forskere og deres internationale kolleger undersøgte, hvordan disse dyrs simple nervesystem interagerer med mikrobiomet. De var i stand til at demonstrere, for første gang, at små molekyler udskilt af nerveceller er med til at regulere sammensætningen og koloniseringen af ​​specifikke typer gavnlige bakterier langs Hydraens kropssøjle. "Indtil nu, neuronale faktorer, der påvirker kroppens bakterielle kolonisering, var stort set ukendte. Vi har været i stand til at bevise, at nervesystemet spiller en vigtig regulerende rolle her, siger professor Thomas Bosch, en evolutionær udviklingsbiolog. Forskerne offentliggjorde deres nye resultater i Naturkommunikation denne tirsdag.

Forskerholdet, ledet af Bosch, bruge ferskvandspolypen Hydra som modelorganisme til at belyse de grundlæggende principper for nervesystemets struktur og funktion. Hydra repræsenterer en evolutionær gammel gren af ​​dyreriget; de har en simpel kropsplan med et nervenet på kun omkring 3000 neuroner. Anvendelse af moderne eksperimentel teknologi på disse organismer, trods deres enkelhed, deler stadig en stor molekylær lighed med hvirveldyrs nervesystemer, muliggjorde identifikation af ældgamle og derfor grundlæggende principper for nervesystemets struktur og funktion.

Ved at bruge denne modelorganisme, forskerne fra Kiel Universitet behandlede spørgsmålet om, hvordan messenger-stoffer produceret af nervesystemet, kendt som neuropeptider, kontrollere samarbejdet og kommunikationen mellem vært og mikrober. De indsamlede cellulære, molekylær og genetisk bevis for, at neuropeptider har antibakteriel aktivitet, som påvirker både sammensætningen og den rumlige fordeling af de koloniserende mikrober.

For at afsløre forbindelserne mellem neuropeptider og bakteriesamfund, de Kiel-baserede forskere koncentrerede sig først om udviklingen af ​​ferskvandspolyppens nervesystem, fra ægstadiet til et voksent dyr. Cnidarians udvikler et komplet nervesystem inden for cirka tre uger. I denne udviklingstid, de bakterielle samfund, der dækker dyrets overflade, ændrer sig radikalt, indtil der til sidst dannes en stabil sammensætning af mikrobiomet. Under påvirkning af neuropeptidernes antimikrobielle virkning, koncentrationen af ​​såkaldte gram-positive bakterier, en undergruppe af bakterier, falder kraftigt over en periode på cirka fire uger. I slutningen af ​​modningsprocessen, en typisk sammensætning af mikrobiomet hersker, især domineret af Gram-negative Curvibacter-bakterier. Da neuropeptiderne kun produceres i visse områder af kroppen, de kontrollerer også den rumlige lokalisering af bakterierne langs kropssøjlen. Dermed, i hovedregionen, for eksempel, der er en stærk koncentration af antimikrobielle peptider, hvilket resulterer i seks gange færre Curvibacter-bakterier end på tentaklerne.

Baseret på disse observationer, forskerne konkluderede, at nervesystemet gennem hele evolutionens forløb også deltog i en kontrollerende rolle for mikrobiomet, ud over sine sensoriske og motoriske opgaver. "Opdagelserne er også vigtige i en evolutionær sammenhæng. Siden disse dyrs forfædre har opfundet nervesystemet, det ser ud til, at samspillet mellem nervesystemet og mikrobiomet er et ældgammelt træk ved flercellede dyr. Da det enkle design af Hydra har stor grundlæggende og translationel relevans og lover at afsløre nye og uventede grundlæggende træk ved nervesystemer, yderligere forskning i samspillet mellem krop og bakterier vil derfor koncentrere sig mere om de neuronale aspekter, sagde Bosch, opsummerer arbejdets betydning.