tarmens mikrobiota
Tarmens mikrobiota er det komplekse samfund af mikroorganismer, der lever i menneskers mave-tarmkanal. Ofte anvendes også begrebet mikrobiom om dette samfund. De to begreber benyttes i flæng og betyder da også næsten det samme, men mens mikrobiota henviser direkte til mikroorganismerne, bruges mikrobiom til at understrege, at man taler om både mikroorganismerne og de gener, de tilsammen indeholder.
Tarmens mikrobiom indeholder både bakterier, arkebakterier, (gær)svampe, protozoer, virus og bakteriofager (virus, der angriber bakterier). Den langt mest velstuderede gruppe af disse er bakterierne. Man regner med, at voksne mennesker har omkring 1014 (hundrede billioner eller hundrede tusind milliarder) bakterier i tarmen.
I mavesækken og den første del af tyndtarmen, hvor miljøet er surt, er tætheden af bakterier ikke særlig høj, men ligger mellem 100 og 10.000 bakterier per gram. Ned gennem tyndtarmen stiger både bakterietætheden og diversiteten af bakteriesamfundet. I tyktarmen er tætheden af bakterier meget høj, bl.a. fordi der foregår en absorption af vand ud til kroppen, som betyder at det mikrobielle samfund koncentreres.
Man anslår, at bakterietætheden i den sidste del af tyktarmen, og i fæces, er cirka 1012 (tusind milliarder) bakterieceller per gram. Det meste af den viden, vi har om tarmens bakterier hos mennesker, er baseret på analyser af fæcesprøver, da disse er lettere at tage end prøver fra andre dele af tarmen. Dog er det vigtigt at huske, at selvom en fæcesprøve afspejler bakteriesamfundet tæt ved udgangen fra tyktarmen (rectum), er den ikke repræsentativ for bakteriesamfundet højere oppe i fordøjelseskanalen.
Som nævnt ovenfor er de tre biologiske domæner arkæa, eukaryoter og bakterier alle repræsenteret i tarmen, men af disse er bakterierne de dominerende. Artsrigdommen er stor, idet man anslår, at mellem 500 og 1000 forskellige bakteriearter forekommer (ca. 160 arter hos hvert menneske). De fleste af disse arter tilhører de samme to fylogentiske divisioner eller rækker (fyla), nemlig Firmicutes og Bacteroidetes, som tilsammen udgør op til 90 procent af tarmbakterierne hos voksne. Resten af bakteriearterne tilhører de tre divisioner Actinobacterium, Verrucomicrobium, og Proteobacterium.
En af de mest kendte bakterieslægter (genera), Bifidobacterium, som regnes for markører for en sund tarm, hører til divisionen Actinobacterium. Mange af de potentielt sygdomsfremkaldende slægter, som forekommer i tarmen, herunder Salmonella, Klebsiella og Escherichia, tilhører divisionen Proteobacterium.
Selvom det er de samme bakterielle divisioner, som findes hos stort set alle mennesker, er tarmmikrobiomet meget individuelt, når man kigger på bakterierne på artsniveau. Det kan faktisk betragtes som en slags ’fingeraftryk’, der karakteriserer det enkelte menneske. Selvom mikrobiomet hos den enkelte godt kan ændre sig, for eksempel ved kostændringer eller under behandling med antibiotika, er variationen mellem individer stadig langt større end variationen hen over tid hos det samme individ.
I fostertilstanden er menneskets tarm helt uden bakterier, men allerede under fødslen kommer de første bakterier ned i tarmen. Det sker, når barnet kommer i kontakt med bakterierne fra fødselskanalen og fra hudområdet ved moderens endetarm. Disse første bakterier bidrager til udviklingen af et sundt immunsystem.
I barnets første levetid vil tarmkanalen typisk være domineret af bestemte bakteriearter af slægten Bifidobacterium, fordi disse bakterier er gode til at udnytte nogle helt specielle typer af kulhydrater, som findes i modermælk, og som barnet ikke selv kan fordøje, hvorfor de når intakte ned til tarmbakterierne.
Efterhånden som barnet overgår til at spise den samme kost som de voksne, øges bakteriediversiteten i tarmen. Man regner med, at mikrobiomet er etableret, når barnet er cirka tre år. Herefter forbliver det overraskende stabilt gennem voksenlivet. I alderdommen falder diversiteten dog typisk lidt igen.
Kvantitativt set spiller mikrobiotaen i tarmen ikke så stor en rolle for energiomsætningen hos mennesker. Hos andre dyr som for eksempel drøvtyggere er bakteriernes bidrag til udnyttelsen af energi fra fibre og plantemateriale langt større. Hos mennesker antager man, at hvis kostens fiberhold er højt, kan tyktarmens mikrobielle omsætning bidrage med op til ca. 10 procent af det samlede energiforbrug. Det sker ved, at bakterierne omsætter fiberbestanddele, som ikke kan fordøjes af kroppens egne enzymer, til kort-kædede fedtsyrer, som optages via tyktarmen.
Det er kendt, at kosten har en vigtig betydning for mikrobiomets sammensætning. Den del af kosten, som vi ikke selv fordøjer, og som derfor når ned til tarmbakterierne, udgør en vigtig del af bakteriernes næring. Det gælder især ufordøjelige kulhydrattyper fra planter, men også overskydende protein og fedt fra vores kost kan nå ned til bakterierne. Da forskellige bakteriearter er specialiseret i at bruge forskellige næringstyper, kan kostens sammensætning på den måde påvirke mikrobiomets sammensætning. For eksempel ved man, at mennesker, der ikke har korn og kornprodukter som en del af deres kost, har færre bakterier af slægten Bifidobacterium i tarmen, da disse ofte er specialiserede i nedbrydning af de komplekse kulhydrater, som findes specifikt i korn. Man kan også se, at mennesker, der spiser mange forskellige typer af planter, samtidig har en høj diversitet i deres mikrobiom.
Det er en svær og kompleks opgave at få et helt sikkert bevis for, at sammensætningen af mikrobiomet overordnet set er en del af årsagen til sundhed og sygdomme hos mennesker. Men der findes masser af viden om, at både tarmbakterierne og de stoffer, de producerer, kan påvirke vores immunsystem, vores hormonsystem, og vores nervesystem.
Mange af de bedst studerede mekanismer går via de kortkædede fedtsyrer, der som nævnt ovenfor dannes, når visse bakteriearter omsætter plantefibre. De kortkædede fedsyrer fungerer som brændstof til de celler, der danner tarmvæggen, og hjælper med at vedligeholde en sund tarmvæg. De kan forebygge dannelse af forstadier til kræft, og de fungerer også som signaler til immunsystemet, der mindsker inflammation (uønsket betændelsesreaktion) i kroppen.
Bakteriernes omsætning af proteiner og aminosyrer fra kosten resulterer i slutprodukter, hvoraf mange er potentielt skadelige for kroppen, men enkelte har en gavnlig effekt på immunsystemet. En del af de stoffer, som bakterier kan danne, kan fungere som signalstoffer til hjernen.
Ikke kun bakteriernes produkter, men også bakterierne selv kan interagere med kroppen. Bestemte strukturer på bakteriernes overflade påvirker såkaldte receptorer på tarmvæggens overflade. På den måde kan immunsystemet afkode, om der er tale om skadelige bakterier, eller om det er bakterier, som naturligt skal befinde sig i tarmen. Denne type af interaktion er nødvendig for uddannelsen af immunsystemet, især hos små børn.
Indtil årtusindskiftet havde man næsten udelukkende viden om den ret begrænsede del af tarmmikrobiotaen, der kunne dyrkes under almindelige laboratorieforhold. Opfindelsen af nye metoder til kortlægning af DNA-sekvens, next generation sequencing, betød, at det blev væsentligt hurtigere og billigere at sekventere (dvs. kortlægge eller ’læse’) store mængder DNA.
Tarmens bakteriesamfund indeholder over 100 gange så meget genetisk information (DNA-sekvens) som hele det menneskelige genom, så disse nye metoder medførte sammen med den medfølgende udvikling inden for informationsteknologi en kæmpe omvæltning for forskningen i tarmens mikrobiologi. Man begyndte at opbygge databaser over de DNA-sekvenser, der fandtes i tarmens mikrobiom, så man på den måde kunne sammenligne og fortolke dem.
I grove træk kan man opdele de sekventerings-baserede metoder i to grupper: De metoder, som kun kortlægger en lille udvalgt del af hver bakteries DNA, og derigennem giver en slags ’signatur’ for tilstedeværelsen af en given type bakterier, og de metoder, som kortlægger alt det samlede DNA, der findes i en prøve. Der er fordele og ulemper ved begge typer af metoder.