2005 · Maier — Nutzung von molekularem Wasserstoff als Energiesubstrat durch humanpathogene Bakterien
Kurzfassung
Mehrere pathogene Bakterien — darunter Helicobacter pylori (Magen), Helicobacter hepaticus (Leber) und Salmonella — können den im Darm produzierten molekularen Wasserstoff (H₂) als Atemsubstrat nutzen, und diese Fähigkeit steigert ihre Kolonisierungs- und Krankheitserregungsfähigkeit im Tier erheblich. Dies ist eine Mikrobiologie-/Tierstudie — keine klinische Humanstudie und kein Beleg für H₂-Supplementierung als Gesundheitsintervention.
Kommentar
Diese Tier- und In-vitro-Mikrobiologiearbeit untersucht, wie im Darm produziertes H₂ bakterielle Virulenz befeuert. H₂ wird im Dickdarm durch Fermentation von Nahrungskohlenhydraten erzeugt. Maier zeigt, dass H. pylori und H. hepaticus jeweils ein respiratorisches Hydrogenase-Enzym besitzen, das ihnen die Oxidation von H₂ zur Energiegewinnung erlaubt — und dass H₂ (~50 µM) in den Geweben nachweisbar ist, die diese Pathogene besiedeln (Magen, Leber, Milz in lebenden Mausmodellen). Mutante H.-pylori-Stämme, die kein H₂ nutzen können, sind deutlich schlechter in der Lage, Mäusemägen zu kolonisieren. Bei Salmonella tragen alle drei membrangebundenen NiFe-Hydrogenasen zur Virulenz in einem Typhus-Mausmodell bei; Stämme, denen alle drei fehlen, sind avirulent und können den Darmtrakt nicht passieren, um Leber oder Milz zu befallen. Der Artikel schlägt vor, dass H₂-Oxidation eine Schlüsselenergiequelle für mehrere enterische und gastrische Pathogene ist. Dies ist ein grundlegend anderer Kontext als therapeutisches oder diätetisches H₂ — hier nützt das H₂ dem Pathogen, nicht dem Wirt.
Wichtige Zitate
- „Mutante H.-pylori-Stämme, die kein H₂ nutzen können, sind bei der Kolonisierung von Mäusen gegenüber dem Elternstamm benachteiligt.“ Original (EN): „Mutant strains of H. pylori unable to use H(2) are deficient in colonizing mice compared with the parent strain.“ — H₂-Nutzung durch den Erreger steigert seine Infektionsfähigkeit direkt (Mausmodell)
- „Alle drei enterischen NiFe-Hydrogenase-Enzyme tragen zur Virulenz des Bakteriums in einem Typhus-Mausmodell bei.“ Original (EN): „All three enteric NiFe hydrogenase enzymes contribute to virulence of the bacterium in a typhoid fever-mouse model.“ — H₂-metabolisierende Enzyme sind Virulenzfaktoren bei Salmonella — Tiermodell
- „H₂-Nutzung und insbesondere seine Oxidation, gekoppelt mit einem respiratorischen Stoffwechselweg, ist zur Energieproduktion erforderlich, um Wachstum und effiziente Virulenz mehrerer pathogener Bakterien während der Infektion von Tieren aufrechtzuerhalten.“ Original (EN): „H(2) utilization and specifically its oxidation, coupled with a respiratory pathway, is required for energy production to permit growth and maintain efficient virulence of a number of pathogenic bacteria during infection of animals.“ — die zentrale Schlussfolgerung der Autoren: H₂ befeuert bakterielle Virulenz, nicht Wirtsschutz
Unsere Einordnung
Eine Tier-/In-vitro-Mikrobiologiestudie, die zeigt, dass im Darm produziertes H₂ die Virulenz mehrerer pathogener Bakterien (H. pylori, H. hepaticus, Salmonella) in Mausmodellen befeuert. Dies ist keine Studie über H₂ als Nahrungsergänzungsmittel oder Therapiemittel — das H₂ begünstigt hier die Bakterien, nicht den Wirt. Diese Befunde widersprechen nicht notwendigerweise positiven H₂-Effekten in anderen Kontexten, fügen aber wichtige biologische Komplexität hinzu: H₂ im Darm ist ein Substrat, das von mehreren Mikroorganismen genutzt wird, einschließlich Pathogenen. Die Befunde stammen aus Tier-/Zellexperimenten und können nicht direkt auf menschliche H₂-Supplementierungsergebnisse übertragen werden.
Studiendesign
- Typ: Tierstudie (Mausmodelle) + In-vitro-Biochemie · Organismen: H. pylori, H. hepaticus (Mäuse); Salmonella enterica Typhimurium (Typhus-Mausmodell) · H₂-Quelle: endogene Darmfermentation; Mikroelektroden-Messungen in lebenden Mäusen
- Ergebnis: H₂-nutzungsdefiziente H.-pylori-Mutanten zeigen beeinträchtigte Kolonisierung; alle drei Salmonella-NiFe-Hydrogenasen tragen zur Virulenz bei; kombinierte Dreifach-Hydrogenase-Deletion macht Salmonella in Mäusen avirulent
Abstract (deutsche Übersetzung)
Molekularer Wasserstoff wird als Fermentationsnebenprodukt im Dickdarm von Tieren produziert, und seine Produktion korreliert mit der Verdaulichkeit der aufgenommenen Kohlenhydrate. Die pathogenen Helicobacter-Spezies (Helicobacter pylori und H. hepaticus) sind in der Lage, H₂ über eine respiratorische Hydrogenase zu nutzen, und es wurde gezeigt, dass das Gas in den von diesen Pathogenen besiedelten Geweben (Magen bzw. Leber lebender Tiere) vorhanden ist. Mutante H.-pylori-Stämme, die kein H₂ nutzen können, sind bei der Kolonisierung von Mäusen gegenüber dem Elternstamm benachteiligt. Auf der Grundlage verfügbarer annotierter Gensequenzinformationen enthält das enterische Pathogen Salmonella wie andere enterische Bakterien drei putative membranassoziierte H₂-nutzende Hydrogenase-Enzyme. Aus der Analyse gengelenkter Mutanten wird geschlossen, dass jede der drei membrangebundenen Hydrogenasen von Salmonella enterica Serovar Typhimurium mit einem H₂-oxidierenden Respirationsweg gekoppelt ist. Aus Mikroelektroden-Sondenmessungen an lebenden Mäusen konnte H₂ in Konzentrationen von ca. 50 µM in den Geweben (Leber und Milz) nachgewiesen werden, die von Salmonella besiedelt werden. Die Halbsättigungsaffinität ganzer Zellen dieser Pathogene für H₂ liegt weit darunter, sodass erwartet wird, dass die (H₂-nutzenden) Hydrogenase-Enzyme in vivo mit dem reduzierenden Substrat gesättigt sind. Alle drei enterischen NiFe-Hydrogenase-Enzyme tragen zur Virulenz des Bakteriums in einem Typhus-Mausmodell bei, und das kombinierte Entfernen aller drei Hydrogenasen führte zu einem Stamm, der avirulent ist und im Gegensatz zum Elternstamm nicht in der Lage ist, den Darmtrakt zu passieren, um Leber- oder Milzgewebe zu befallen. Es wird vorgeschlagen, dass H₂-Nutzung und insbesondere seine Oxidation, gekoppelt mit einem respiratorischen Stoffwechselweg, zur Energieproduktion erforderlich ist, um Wachstum und effiziente Virulenz mehrerer pathogener Bakterien während der Infektion von Tieren aufrechtzuerhalten.
Original-Abstract (englisch)
Molecular hydrogen is produced as a fermentation by-product in the large intestine of animals and its production can be correlated with the digestibility of the carbohydrates consumed. Pathogenic Helicobacter species (Helicobacter pylori and H. hepaticus) have the ability to use H(2) through a respiratory hydrogenase, and it was demonstrated that the gas is present in the tissues colonized by these pathogens (the stomach and the liver respectively of live animals). Mutant strains of H. pylori unable to use H(2) are deficient in colonizing mice compared with the parent strain. On the basis of available annotated gene sequence information, the enteric pathogen Salmonella, like other enteric bacteria, contains three putative membrane-associated H(2)-using hydrogenase enzymes. From the analysis of gene-targeted mutants it is concluded that each of the three membrane-bound hydrogenases of Salmonella enterica serovar Typhimurium are coupled with an H(2)-oxidizing respiratory pathway. From microelectrode probe measurements on live mice, H(2) could be detected at approx. 50 muM levels within the tissues (liver and spleen), which are colonized by Salmonella. The half-saturation affinity of whole cells of these pathogens for H(2) is much less than this, so it is expected that the (H(2)-utilizing) hydrogenase enzymes be saturated with the reducing substrate in vivo. All three enteric NiFe hydrogenase enzymes contribute to virulence of the bacterium in a typhoid fever-mouse model, and the combined removal of all three hydrogenases resulted in a strain that is avirulent and (in contrast with the parent strain) one that is not able to pass the intestinal tract to invade liver or spleen tissue. It is proposed that H(2) utilization and specifically its oxidation, coupled with a respiratory pathway, is required for energy production to permit growth and maintain efficient virulence of a number of pathogenic bacteria during infection of animals. These would be expected to include the Campylobacter jejuni, a bacterium closely related to Helicobacter, as well as many enteric bacteria (Escherichia coli, Shigella and Yersinia species).
Quelle & Links
Screenshot der PubMed-Seite
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