Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Wissenschaft und Forschung: Ausgabe 03/2014, 06.03.2014

Funktionelle Mikroorganismen für Lebensmittel und Gesundheit

Das Labor der Lebensmittel-Biotechnologie der ETH Zürich erforscht Mikroben aus Lebensmitteln und aus dem menschlichen und tierischen Darmtrakt. Der Forschungsansatz ist multidisziplinär und umfasst die Charakterisierung von bakteriellen Stämmen, funktionelle Studien dieser Organismen, Fermentationstechnologien, in-vitro- und in-vivo-Untersuchungen an Tier und Mensch.

Autor: Prof. Dr. Ing. Christophe Lacroix, ETHZ

Forscher am Labor für Lebensmittelbiotechnologie (LFB) vereinen Expertisen aus verschiedenen Themenge­bieten. Eine Stärke der Gruppe liegt in der Bereitstellung von integ­rativen und nachhaltigen biotechnologischen Lösungen in Zusammenhang mit Lebensmittelqualität und -sicherheit, Ernährung und der Prävention und Behandlung von mikro­bi­ellen Infektionen.
Die Biodiversität der LFB-Stammsammlung für Forschung und Entwicklung. Der Lehrstuhl hat im Rahmen seiner Forschungstätigkeit in verschiedenen Ländern Europas, Amerikas und Afrikas während der letzten
25 Jahre eine einzigartige Stammsammlung zusammengestellt. Diese Sammlung ist vergleichbar mit einer Biobank, umfasst momentan mehr als 12 000 verschiedene Bakterien und wird kontinuierlich erweitert. Den Grossteil der Bakterien haben die Forscher aus fermentierten Lebensmitteln, dem Darmtrakt von Menschen, Tieren und aus der Umwelt isoliert. Viele Bakterien der Stammsammlung liessen sich mithilfe neuer molekularer Methoden taxonomisch identifizieren und werden den Milchsäurebakterien (unter anderem Laktobazillen, Streptokokken, Weissella), Propionibakterien und Bifidobakterien zugerechnet. Milchsäurebakterien und Propionibakterien kommen als Starterkulturen in Lebensmittelfermentationen zum Einsatz. Mehrere Stämme der Bifidobakterien gehören zu den bestuntersuchten Probiotika mit belegten Gesundheitseffekten.
Die Vielfalt der Biobank des LFB ist eine ergiebige Quelle für die Identifizierung von Bakterien mit industriell verwertbaren Eigenschaften. Die funktionellen Einsatzgebiete der Bakterien untersuchen die Experten vor allem im Hinblick auf ihre technologische Verwendung zur Erhöhung der Lebensmittelsicherheit, -textur und -qualität. So haben die Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit Industriepartnern in der Stammsammlung Bakterien gefunden, welche zur Verbesserung der Fermentation von Salami, Milchprodukten oder Käse beitragen oder welche als natürlich «schützende» Kulturen Anwendung finden.
Milchsäurebakterien- und Propionibakterien-Kokulturen. Nicht nur bei der Produktion von Schweizer Käse spielen von Milchsäure- und Propionibakterien während der Fermentation gebildete antimikrobielle Wirkstoffe eine Rolle. Das Wachstum der Propionibakterien in Anwesenheit von Milchsäurebakterien ist zudem ein klassisches Beispiel von Kommensalismus, einer speziellen Form von Symbiose mit einer zusammenhängenden Kohlenstoffnahrungskette. Milchsäurebakterien bilden Milchsäure bei der Verstoffwechslung von Zuckermolekülen, die Propionibakterien zum Wachstum verwenden. Dabei bilden Propionibakterien Propion- und Essigsäure. Wir konnten zeigen, dass bestimmte Milchsäure- und Propionibakterienkombinationen durch die gemeinsame Bildung von Wasserstoffperoxid und Diazetyl zusätzlich zu Milch-, Propion-, und Essigsäure starke, pilzhemmende Wirkung haben. Darüber hinaus synthetisieren manche Stämme kleine Peptide mit antimikrobieller Wirkung (Bakteriozine) gegenüber nah verwandter Bakterien. Diese Forschungsaktivität hat zur Entwicklung einer neuen, pilzhemmenden Schutzkultur geführt, welche schon in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird (Holdbac YM-C, Danisco).
Ein weiteres Beispiel der Anwendung von Milchsäure- und Propionibakterien-Kokulturen ist die Vitaminbildung. Mehr als 150 Milchsäurebakterien und 100 Propionibakterien aus unserer Stammsammlung haben wir im Hinblick auf Folsäurebildung und Vitamin-B12-Synthese untersucht. In einem optimierten Zweischrittprozess bildeten die aussichtsreichsten Kandidaten bis zu 8400 ng mL-1-Folsäure; dieser Wert ist vergleichbar mit der Folsäurebildung von genetisch modifizierten Bakterien. Den erfolgreichen Prozess haben wir anschliessend patentieren lassen.
Nahrung für die Darmgesundheit. Der Darm ist der Lebensraum eines komplexen Ökosystems, das hauptsächlich aus Bakterien, aber auch Pilzen, Hefen und Archaea besteht und allgemein Darmmikrobiota oder Darmmikrobiom genannt wird. Unvorstellbare 100 Billionen Mikroorganismen bevölkern den Darm und machen damit ein Kilo des Körpergewichts aus. Die Anzahl der Darmorganismen übertrifft die menschlichen Zellen in unserem Körper um einen Faktor 10. Die Darmmikrobiota besitzt dank ihrer Vielfalt mehr als 3 Millionen Gene, ungefähr hundertmal mehr Gene als der Mensch. Wissenschaftler stehen noch am Anfang der Erforschung der Funktionalität des Darmmikrobioms. Eine zentrale Rolle des mikrobiellen Ökosystems spielt jedoch der Abbau von komplexen, unverdauten Nahrungskomponenten, die Abwehr von Pathogenen und der konstante Austausch mit den Epithelzellen des Wirtes, was zur Entwicklung und Stabilisierung des Immunsystems beiträgt. Auf der anderen Seite wird das Darmmikrobiom jedoch auch mit chronischen Darmkrankheiten wie Morbus Crohn, mit Darmkrebs, Fettleibigkeit, Diabetes, Allergien, Atherosklerose und Leberkrankheiten in Verbindung gebracht.
Unsere Forschung beschäftigt sich mit dem Einfluss des mikrobiellen Ökosystems auf die Gesundheit und dessen Rolle im Krankheitsfall. Wir haben dazu innovative in-vitro-Fermen­tationsmodelle entwickelt, bei denen die Darmmikrobiota in einer Matrix immobilisiert werden und so auf längere Zeit in ihrer natürlichen Populationsdichte studierbar sind. Die Herkunft der zu immobilisierenden komplexen mikrobiellen Konsortia ist dabei unbeschränkt. Bereits erfolgreich untersuchten Wissenschaftler die Darmmikrobiome von Kindern, Erwachsenen und von Personen mit unterschiedlichen Ernährungssituationen (Fettleibigkeit, Eisenmangel) ebenso wie den Einfluss von Nahrungsmittelzusätzen (Pro- und Prebiotika). Diese Fermentationsmodelle werden mit Zelllinien kombiniert, um Wechselwirkungen zwischen den Darmbakterien und ihrem Wirt zu studieren. Die Forscher am LFB verwenden des Weiteren Tiermodelle und forschen auch am Menschen in Zusammenarbeit mit anderen Forschern und dem ETH-Universitätsspital.  
Das LFB untersucht Bakterien, die bei der Vorbeugung und Behandlung von intestinalen Krankheiten einsetzbar sein könnten. Die Zusammenarbeit mit der Lebensmittel-, Biotech- und Pharmaindustrie erlaubt dabei den Transfer von universitären Forschungsergebnissen zu industriellen Entwicklungsprozessen und letztlich deren Einsatz in industrialisierten wie auch nichtindustrialisierten Ländern.



Die Forschungsaktivitäten des Labors für Lebensmittelbiotechnologie, LFB, umfasst verschiedene Themengebiete


Kontinuierliche Fermentation: Darmmodell mit immobilisierten fäkalen Mikrobiota (PolyFermS) in Kombination mit Zellmodell, entwickelt am LFB