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Christian Riedel: Ausgezeichneter Bifido-Bakterienforscher

Der 37-jährige Mikrobiologe Christian Riedel ist für seine grundlagenorientierten Arbeiten zu Bifido-Bakterien mit dem Wissenschaftspreis der Stadt Ulm ausgezeichnet worden. Der Leiter einer zwölfköpfigen Nachwuchsforschergruppe an der Universität Ulm hat nachgewiesen, dass Bifido-Bakterien eine hemmende Wirkung auf chronische Entzündungen des Darms haben. In einem Jahr will er die dahinterliegenden molekularen Mechanismen aufgeklärt haben.

Hat gut lachen, der frischgebackene Träger des Ulmer Wissenschaftspreises, Dr. Christoph Riedel. © Andreas Pröbstle/Heidenheimer Zeitung

Die Auszeichnung 2010 wurde Riedel vom Oberbürgermeister am Ulmer Feiertag, dem Schwörmontag, ausgehändigt und ging 2010 an zwei weitere Forscher der Donaustadt. Riedel, der 1999 am Ulmer Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie bei Prof. Bernhard Eikmanns diplomierte, stieß am israelischen Weizmann-Institut für Wissenschaften, wo er nach seinem Diplom einige Monate Einblicke in die Immunologie gewann, auf „seine Bakterien“.

Bifido-Bakterien gelten als die ersten Besiedler des menschlichen Darms. Ihre Kolonisierung beginnt gleich mit der Geburt, nachdem fakultative Anaerobier das Milieu für die gabelförmigen (Bifido, lat. für Gabel) Mikroorganismen vorbereitet haben. Die Mikroben sind grampositiv und strikte Anaerobier. Nach Riedels Worten lassen sie sich relativ gut auf der Laborbank für einige Stunden handhaben und dann in anaeroben Töpfen bei 37 Grad Celsius im Komplettmedium kultivieren.

Sperrige Mikrobe

Die Form als Namensgeber: Bifidobakterien erinnern an Gabeln. © Staudt/Uni Ulm

Dennoch ist das Wissen über diese Darmmikroben begrenzt, weil ihr Genom schwer zugänglich ist. Damit sind noch keine Knock-out-Versuche mit stillgelegten Genen möglich. Riedel zufolge gibt es auf der Welt eine Gruppe von Wissenschaftlern, die behauptet das zu können. Diese wollen bereits 20 Mutanten hergestellt haben, nur drei seien aber publiziert. Riedels Arbeitsgruppe will in einem Jahr nachgezogen haben. Möglicherweise schreckt diese genetische Verschlossenheit und der damit verbundene Aufwand viele Forscher ab. Das meiste über diese Mikroorganismen, sagt Riedel, weiß man aus epidemiologischen Studien und aus In-vitro-Versuchen.

Bifido-Bakterien weisen einen hohen Anteil der DNA-Basen Guanin und Cytosin auf. Deren Gehalt im Genom wird als taxonomisches Merkmal zur Einteilung der Bakterien verwendet. Bifido-Bakterien sind von einer dicken Schleimkapsel umschlossen und werden fälschlicherweise zu den Milchsäurebakterien gerechnet, sind aber nicht mit diesen verwandt. Zwar produzieren sie Milchsäure, machen dies aber über einen ureigenen Stoffwechselweg. Die falsche Einordnung stammt aus einer Zeit, die noch keine 16S-Analyse kannte; dieses Verfahren ermittelt mit ribosomaler RNA die Verwandtschaftsbeziehungen von Bakterien.

Früh auf immunologischer Spur

Histologischer Schnitt an Mausdärmen. Ohne entzündungshemmende Wirkung (re. oben), mit deutlicher Inhibitionswirkung bei Mäuse-Säuglingsdärmen, die mit dem Bifido-Stamm 17 'behandelt' wurden. © Riedel

Der Forschung an diesen Mikroben verschrieb sich Riedel, weil er folgenden Beobachtungen nachgehen wollte: Bei gestillten Kindern - anders als bei „Flaschenkindern“- beträgt ihr Anteil an der Darmflora bis zu 90 Prozent. Ihre frühe Besiedelung des Darms scheint wichtig für eine normale Entwicklung des Darmimmunsystems und des Körperabwehrsystems im allgemeinen zu sein. Obendrein, skizziert Riedel die Ausgangslage für seine Forschung, war bekannt, dass brustgestillte Kinder später weniger Allergien entwickeln als „Flaschenkinder“.

„Völlig naiv“ sei es damals gewesen, diesem Zusammenhang von Bifidobakterien und ihrer immunstärkenden Wirkung nachzuspüren, sagt Riedel rückblickend. Vom Vater, der Kinderarzt war, erhielt er Bifidobakterien, die am Ulmer Institut isoliert wurden. Zu dieser Zeit erschienen erste Arbeiten zu diesem Thema, allerdings handelten sie von echten Laktobakterien.

Nach seiner Rückkehr aus Israel plante Riedel ein In-vitro-Modell-System, blendete aber die Tatsache aus, wie er selbstkritisch sagt, dass Bifido-Bakterien genetisch schwer zugänglich sind. Die Arbeiten kamen nicht in Gang, es fehlte Geld und als dieses von der Landesgraduiertenstiftung kam, forschte er kurz an der Uni Hohenheim weiter, ehe er als Ulmer Doktorand 2002 zu Nestlé an das Forschungszentrum am Genfer See als Stipendiat wechselte. Nach drei Jahren kehrte er wieder in die akademische Welt zurück, verbrachte zwei Jahre als Postdoc an der irischen Universität in Cork am Elementary pharmabiotic Center. Dort forschte Riedel an Listerien, ehe er von der Ulmer Universität ein Angebot erhielt.

Nur indirekter Nachweis möglich

In Ulm griff er wieder das Bifido-Projekt auf, begann seine Untersuchungen unter dem Aspekt der chronisch entzündlichen Darmerkrankungen. Aus seiner Schweizer Zeit wusste er, dass Epithelzellen, die mit Bifidobakterien besiedelt sind, trotz proinflammatorischer Stimulation mittels Lipopolysacchariden (LPS) eine Entzündungsantwort unterdrücken. Zwar ist die Signalkaskade der Entzündung bekannt, doch weil das Bifido-Genom noch unerschlossen ist, konnte Riedel deren entzündunghemmende Wirkung nur indirekt nachweisen. Wo in der Signalkette genau sie ihre hemmende Wirkung entfalten, kann er (noch) nicht sagen, weil Bifido-Bakterienforscher wie Riedel molekulargenetisch noch im Trüben fischen müssen.

Doch der erste große Schritt zur Entzifferung des bakteriellen Genoms ist gemacht: Drei Bifido-Bakterien-Stämme haben die Ulmer extern sequenzieren lassen; zusammen mit irischen Kollegen wird jetzt assembliert und annotiert, ehe der nächste große Schritt, die genetische Charakterisierung, getan werden kann. Erst wenn Riedel und seine Mitarbeiter wissen, wo sich welche Gene befinden, welche Gene auf der Oberfläche exprimiert werden oder welches die DNA-Methylierungsenzyme sind, erst dann können sie Knock-out-Modelle entwickeln und mit ihnen die Versuche anstellen, die nötig sind, um die molekularen Mechanismen der entzündungshemmenden Bifido-Bakterien zu untersuchen.

Jetzt werden molekulargenetische Skalpelle geschärft

Unterdessen schärft Riedel die molekulargenetischen Skalpelle, um die Methoden für Knock-down und Knock-out zu etablieren. So arbeitet seine Gruppe mit einem E.-coli-Stamm daran, fremdes genetisches Material in Bifido-Bakterien einzubringen. Am Ende will Riedel eine Plasmid-DNA so modifiziert haben, dass sie die Bifidobakterien nicht mehr als fremd erkennen.

Gleichzeitig versucht Riedels Gruppe an Mausmodellen zur Darmentzündung zu erfahren, wie sich die Darmflora im Laufe der Entzündung entwickelt. Zwei kleine Tierstudien hat Riedel bereits veröffentlicht. Darin hat er mit einem schwächer und einem stärker inhibierenden Bakterienstamm das In-vitro-Ergebnis im Tier bestätigt. An der Maus untersucht Riedel, welche Zelltypen (meist sind es T-Zellen) an der Immunantwort beteiligt sind und wie sich diese bei Einsatz von Bifido-Bakterien ändert. Daneben will Riedel wissen, ob die Mikroben am Epithel haften müssen, um ihre Wirkung zu entfalten.

Über ein jüngst von anderen Forschern entdecktes Protein, das in der Zellwand sitzt, versuchen Riedel und Co. ein Know-down-Verfahren zu etablieren, um zu zeigen, ob dieses Protein an der Anhaftung beteiligt ist. All diese Arbeiten haben nach Riedels Worten vorbereitenden Charakter, legen im Prinzip die Grundlagen dafür, die molekularen Mechanismen mit genetischen Methoden zu untersuchen.

Nächster großer Schritt: Genetische Charakterisierung

Sollte nach genetischer Charakterisierung der molekulare Mechanismus der Entzündungshemmung geklärt sein, hängt es vom Willen des Patienten ab, ob er sich mit Bakterien behandeln lässt. Nach Riedels Worten wurden bereits im Rahmen klinischer Studien Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen mit probiotischen Präparaten behandelt. Das am besten untersuchte Präparat sei ein Mischpräparat mit sieben verschiedenen Bakterienarten.

Zuvor aber müssen die molekularen Mechanismen aufgeklärt werden, desgleichen die Art der Wirkung. Erst dann können klinische Studien entworfen werden. Möglicherweise lässt sich auch eine Substanz entwickeln, wenn die hemmende Wirkung auf ein Protein oder eine bakterielle Komponente, zum Beispiel ein Bestandteil der Zellwand, zurückgeht.

Wie kommunizieren Listerien?

Der frischgebackene Ulmer Wissenschaftspreisträger beschäftigt sich seit seinem irischen Forschungsaufenthalt auch mit Listerien. Diese fakultativ anaeroben Bakterien kommen praktisch überall, teilweise auch im menschlichen Darm, vor und sorgen für Negativ-Schlagzeilen, wenn sie in Lebensmittel gelangen. Der Ulmer Mikrobiologe untersucht analog zu Arbeiten mit anderen Bakterien, wie diese Mikroorganismen miteinander kommunizieren.

Riedel untersucht diese Form bakterieller Kommunikation bei Listerien. Er will wissen, was diese Mikroben reguliert, wenn sie sich in einen Organismus einnisten und diesen dann „fluten“, wenn sie eine bestimmte Populationsdichte erreicht haben. Dies, so Riedels in Tierversuchen bereits erhärtete These, wird bei Listerien anders als beim pathogenen Staphylococcus aureus durch ein anderes System als das des AGR (Accessory gene regulator locus) reguliert. Ist diese Frage geklärt, weiß Riedel, wie Listerien einen Biofilm bilden. Dann ließen sich möglicherweise auch verunreinigte Produktionsprozesse in der Lebensmittelindustrie, wie sie zum Jahreswechsel die Verbraucher erschreckten, besser in den Griff bekommen.

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