2020 · Benoit — Stoffwechsel von molekularem Wasserstoff: ein weit verbreitetes Merkmal pathogener Bakterien und Protisten
Kurzfassung
Über 200 bekannte Krankheitserreger tragen Gene für Hydrogenasen — Enzyme, mit denen Bakterien H₂-Gas als Bestandteil ihres Energiestoffwechsels verbrauchen oder produzieren können. Diese umfassende Übersichtsarbeit zeigt, dass mehrere wichtige Humanpathogene, darunter Salmonella, Campylobacter und Helicobacter pylori, die großen Mengen an H₂, die von der Darmmikrobiota produziert werden, als respiratorische Energiequelle nutzen — eine Eigenschaft, die ihr Wachstum und ihre Virulenz unterstützt. Die Autoren erkunden zudem den H₂-Stoffwechsel als mögliches Angriffsziel für Medikamente. (Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2020.)
Kommentar
Dies ist eine wegweisende Bestandsaufnahme einer weitgehend übersehenen Dimension der H₂-Biologie: nicht der therapeutische Einsatz von molekularem Wasserstoff für den menschlichen Wirt, sondern die Art und Weise, wie pathogene Mikroorganismen selbst H₂ als Energiewährung im Darm nutzen. Der Review ist breit angelegt und evidenzbasiert und deckt Biochemie, Phylogenie und Physiologie von Hydrogenasen bei Bakterien und Protisten ab. Die praktische Implikation für die H₂-Forschung ist zweischneidig: Kolonischer H₂ ist ein Substrat, das Krankheitserreger ausnutzen können, was interessante Fragen über das Zusammenspiel zwischen diätetischer Wasserstoffproduktion, Darmmikrobiom-Zusammensetzung und Infektionskrankheiten aufwirft. Der Vorschlag, Hydrogenase-Stoffwechselwege pharmakologisch anzugehen, ist auf diesem Stand spekulativ, aber wissenschaftlich als Hypothese solide.
Wichtige Zitate
- „Mehrere wichtige Humanpathogene nutzen die großen Mengen an H₂, die von der Kolonialmikrobiota produziert werden, als Energiequelle für aerobe oder anaerobe Atmung.“ Original (EN): „Several major human pathogens use the large amounts of H2 produced by colonic microbiota as an energy source for aerobic or anaerobic respiration.“ — der zentrale mechanistische Befund: Krankheitserreger nutzen darmeigenes H₂
- „Dieser Prozess wurde als entscheidend für Wachstum und Virulenz der gastrointestinalen Bakterien Salmonella enterica Serovar Typhimurium, Campylobacter jejuni, Campylobacter concisus und Helicobacter pylori nachgewiesen.“ Original (EN): „This process has been shown to be critical for growth and virulence of the gastrointestinal bacteria Salmonella enterica serovar Typhimurium, Campylobacter jejuni, Campylobacter concisus, and Helicobacter pylori.“ — konkrete Pathogene, für die H₂-Oxidation virulenzrelevant ist
- „Wir bewerten auch den H₂-Stoffwechsel als mögliches Ziel für die Arzneimittelentwicklung oder andere Therapien.“ Original (EN): „We also evaluate H2 metabolism as a possible target for drug development or other therapies.“ — die zukunftsweisende Schlussfolgerung: Hydrogenasen als Medikamentenziele
Unsere Einordnung
Dies ist eine Übersichtsarbeit, keine klinische Studie. Sie synthetisiert vorhandene Literatur zum mikrobiellen H₂-Stoffwechsel — sie testet keine therapeutischen Anwendungen von Wasserstoff am Menschen oder im Tiermodell. Die Breite der Abdeckung ist beeindruckend, aber die Autoren räumen offen ein, dass ein detailliertes mechanistisches Verständnis für die meisten Pathogene, insbesondere obligate Anaerobier, noch fehlt. Der Vorschlag, den H₂-Stoffwechsel als Arzneimittelziel zu nutzen, ist eine Frühphasenhypothese, kein etablierter therapeutischer Ansatz. Wer Belege für H₂-Supplementierungsvorteile beim Menschen sucht, wird hier nicht fündig — der Fokus liegt auf Erregerbiologie, nicht auf therapeutischem Wasserstoff für den Wirt.
Studiendesign
- Typ: umfassende narrative Übersichtsarbeit · n: entfällt (Literatursynthese mit >200 Pathogenspezies) · H₂-Kontext: endogene mikrobielle H₂-Produktion und -Verbrauch (Hydrogenase-Biochemie)
- Ergebnis: >200 Pathogene tragen Hydrogenase-Gene; ≥46 Spezies experimentell als H₂-Konsumenten/-Produzenten nachgewiesen; H₂-Oxidation kritisch für Virulenz bei S. Typhimurium, C. jejuni, C. concisus, H. pylori; H₂-Stoffwechsel als pharmakologisches Ziel vorgeschlagen
Abstract (deutsche Übersetzung)
Pathogene Mikroorganismen nutzen verschiedene Mechanismen zur Energiegewinnung in Wirtsgeweben und Umweltreservoiren. Ein weit verbreitetes, aber oft übersehenes Mittel zur Energiekonservierung ist der Verbrauch oder die Produktion von molekularem Wasserstoff (H₂). Wir geben hier einen umfassenden Überblick über Verbreitung, Biochemie und Physiologie des H₂-Stoffwechsels in Krankheitserregern. Über 200 Pathogene und Pathobionten tragen Gene für Hydrogenasen, die Enzyme, die für die H₂-Oxidation und/oder -Produktion verantwortlich sind. Darüber hinaus wurde für mindestens 46 dieser Spezies experimentell gezeigt, dass sie H₂ verbrauchen oder produzieren. Mehrere wichtige Humanpathogene nutzen die großen Mengen an H₂, die von der Kolonialmikrobiota produziert werden, als Energiequelle für aerobe oder anaerobe Atmung. Dieser Prozess wurde als entscheidend für Wachstum und Virulenz der gastrointestinalen Bakterien Salmonella enterica Serovar Typhimurium, Campylobacter jejuni, Campylobacter concisus und Helicobacter pylori (einschließlich karzinogener Stämme) nachgewiesen. Die H₂-Oxidation ist im Allgemeinen ein fakultatives Merkmal, das von zentralen Regulatoren in Abhängigkeit von Energie- und Oxidantienverfügbarkeit gesteuert wird. Andere bakterielle und protiste Pathogene produzieren H₂ als diffusibles Endprodukt von Fermentationsprozessen. Dazu gehören fakultative Anaerobier wie Escherichia coli, S. Typhimurium und Giardia intestinalis, die durch Fermentation überleben, wenn respiratorische Elektronenakzeptoren begrenzt sind, sowie obligate Anaerobier wie Clostridium perfringens, Clostridioides difficile und Trichomonas vaginalis, die während des Wachstums große Mengen H₂ produzieren. Insgesamt gibt es eine reichhaltige Literatur über Hydrogenasen in Wachstum, Überleben und Virulenz einiger Pathogene. Es fehlt jedoch ein detailliertes Verständnis des H₂-Stoffwechsels bei den meisten Pathogenen, insbesondere obligat anaeroben Bakterien, sowie ein ganzheitliches Verständnis der gastrointestinalen H₂-Transaktionen insgesamt. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse bewerten wir auch den H₂-Stoffwechsel als mögliches Ziel für die Arzneimittelentwicklung oder andere Therapien.
Original-Abstract (englisch)
Pathogenic microorganisms use various mechanisms to conserve energy in host tissues and environmental reservoirs. One widespread but often overlooked means of energy conservation is through the consumption or production of molecular hydrogen (H2). Here, we comprehensively review the distribution, biochemistry, and physiology of H2 metabolism in pathogens. Over 200 pathogens and pathobionts carry genes for hydrogenases, the enzymes responsible for H2 oxidation and/or production. Furthermore, at least 46 of these species have been experimentally shown to consume or produce H2 Several major human pathogens use the large amounts of H2 produced by colonic microbiota as an energy source for aerobic or anaerobic respiration. This process has been shown to be critical for growth and virulence of the gastrointestinal bacteria Salmonella enterica serovar Typhimurium, Campylobacter jejuni, Campylobacter concisus, and Helicobacter pylori (including carcinogenic strains). H2 oxidation is generally a facultative trait controlled by central regulators in response to energy and oxidant availability. Other bacterial and protist pathogens produce H2 as a diffusible end product of fermentation processes. These include facultative anaerobes such as Escherichia coli, S Typhimurium, and Giardia intestinalis, which persist by fermentation when limited for respiratory electron acceptors, as well as obligate anaerobes, such as Clostridium perfringens, Clostridioides difficile, and Trichomonas vaginalis, that produce large amounts of H2 during growth. Overall, there is a rich literature on hydrogenases in growth, survival, and virulence in some pathogens. However, we lack a detailed understanding of H2 metabolism in most pathogens, especially obligately anaerobic bacteria, as well as a holistic understanding of gastrointestinal H2 transactions overall. Based on these findings, we also evaluate H2 metabolism as a possible target for drug development or other therapies.
Quelle & Links
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