Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

In der Welt der Lebensmittelwissenschaft findet ein Großteil der wichtigsten Arbeit im unsichtbaren Reich der Bakterien statt. Bei der Herstellung traditioneller Käsesorten wie Gouda oder Cheddar verlassen sich Produzenten auf Starterkulturen: Mischungen aus mikroskopisch kleinen Organismen, die Milch in festen Käse verwandelt und seinen charakteristischen Geschmack erzeugt. Seit über einem Jahrhundert werden diese Kulturen am Leben erhalten und von Charge zu Charge weitergegeben – eine Praxis, die als Verwendung eines „undefinierten“ Starters bezeichnet wird, da die exakte Mischung der Bakterien darin nicht vollständig bekannt oder kontrolliert ist. Wissenschaftler vermuten schon lange, dass diese Mischungen komplexer sind, als sie scheinen, und eine riesige Vielfalt an verschiedenen Bakterienstämmen verbergen, die zusammenarbeiten, um den Käse sicher und schmackhaft zu halten. Das Verständnis dieser verborgenen Vielfalt ist entscheidend, da sie bestimmt, wie gut die Gemeinschaft Angriffen durch Viren widersteht, die Bakterien infizieren – sogenannte Phagen –, welche die gesamte Produktion ruinieren können.

Ein Forscherteam machte sich daran, diese verborgene Welt innerhalb einer spezifischen dänischen Starterkultur namens Tistrup zu kartieren, die seit mehr als hundert Jahren in Gebrauch ist. Sie wussten, dass das bloße Züchten von Bakterien in einer Laborschale, um sie zu zählen, nicht ausreichte, da viele Stämme übersehen oder gar nicht erst erfasst werden könnten. Stattdessen kombinierten sie zwei leistungsstarke Methoden: das Züchten einer großen Sammlung einzelner Bakterienstämme im Labor und das direkte Ablesen des genetischen Codes der gesamten Mischung direkt aus der Kultur, ohne zuvor etwas anzuzüchten. Durch den Vergleich dessen, was sie im Labor fanden, mit dem, was sie in der Rohmischung fanden, entdeckten sie, dass die Gemeinschaft weitaus komplexer war, als es eine der beiden Methoden allein hätte offenbaren können. Die Studie zeigt, dass selbst in einer Bakteriengruppe, die an der Oberfläche einfach erscheint, eine tiefe Ebene der genetischen Vielfalt existiert, die es der Gemeinschaft ermöglicht, zu überleben und zu gedeihen.

Die Forscher begannen damit, die Tistrup-Kultur zu untersuchen, die von nur wenigen Bakterienarten dominiert wird, primlich Lactococcus cremoris und Lactococcus lactis. Da es nur wenige Arten gibt, erwarteten sie, dass die genetischen Unterschiede zwischen den einzelnen Bakterien gering ausfallen würden. Doch als sie die DNA von 111 verschiedenen Bakterienstämmen sequenzierten, die sie im Labor gezüchtet hatten, und diese mit den genetischen Daten der gesamten Mischung verglichen, fanden sie eine überraschende Menge an verborgener Komplexität. Die beiden Methoden stimmten nicht nur bei denselben Bakterien überein, sondern fanden unterschiedliche Teile der Population. Die im Labor gezüchteten Stämme stellten nur einen Bruchteil der in der Kultur vorhandenen Vielfalt dar, während das direkte genetische Lesen der Mischung viele Abstammungslinien enthüllte, die die Labormethoden völlig übersehen hatten.

Einer der auffälligsten Befunde betraf die Zellwände dieser Bakterien. Die Außenfläche eines Bakteriums ist mit einer zuckrigen Beschichtung bedeckt, dem sogenannten Zellwand-Polysaccharid, das wie ein spezifisches Schlüsselloch fungiert, durch das Viren in die Zelle eindringen und sie infizieren können. Die Forscher fanden heraus, dass die häufigste Art dieser Zuckerbeschichtung in der Kultur – die fast dreißig Prozent der Population ausmacht – bei den im Labor gezüchteten Bakterien völlig fehlte. Dies bedeutet, dass die am häufigsten vorkommenden Bakterien in der Kultur genau jene waren, die es den Wissenschaftlern nicht gelang, zu züchten, wodurch ein bedeutender Teil der Gemeinschaft für traditionelle Methoden unsichtbar blieb. Die im Labor gezüchteten Bakterien trugen überwiegend andere, weniger verbreitete Versionen dieser Zuckerbeschichtung, was darauf hindeutet, dass die Bedingungen beim Wachstum im Labor eine spezifische, weniger dominante Gruppe begünstigten.

Über die Zellwände hinaus untersuchten die Forscher auch andere genetische Merkmale, die Bakterien helfen, sich gegen Viren zu verteidigen. Sie untersuchten das Vorhandensein von Viren, die in der bakteriellen DNA versteckt sind, bekannt als Prophagen, sowie die verschiedenen Verteidigungssysteme, die die Bakterien nutzen, um Angriffe abzuwehren. Sie fanden heraus, dass diese Verteidigungswerkzeuge in unzähligen Kombinationen zwischen den verschiedenen Stämmen gemischt und neu zusammengesetzt waren. Selbst Bakterien, die in ihrem Kerngenetischen Code fast identisch erschienen, besaßen unterschiedliche Sätze von Verteidigungssystemen und verborgenen Viren. Diese Vielfalt wirkt wie ein Schutzschild für die Gemeinschaft: Wenn ein Virus einen Typ von Bakterien angreift, können andere mit unterschiedlichen Abwehrmechanismen überleben und den Käseherstellungsprozess aufrechterhalten. Die Studie zeigte, dass diese defensive Vielfalt viel größer war, als man durch die Betrachtung der lediglich im Labor gezüchteten Stämme erkennen konnte.

Das Team untersuchte auch die mobilen genetischen Elemente, kleine DNA-Schleifen, die man Plasmid nennt und die Bakterien untereinander austauschen können. Diese Plasmide tragen oft Gene, die für die Käseherstellung essenziell sind, wie etwa solche, die für den Abbau von Milchzucker oder Proteinen benötigt werden. Die Forscher fanden heraus, dass auch diese Plasmide hochgradig divers waren und von verschiedenen Stämmen in unterschiedlichen Kombinationen getragen wurden. Durch den Einsatz einer speziellen Technik, die chemische Markierungen an der DNA liest, konnten sie viele dieser Plasmide den spezifischen Bakterien zuordnen, die sie trugen – selbst wenn diese Bakterien nicht im Labor gezüchtet worden waren. Dies ermöglichte es ihnen zu sehen, dass dasselbe Plasmid in verschiedenen Spezies vorkommen konnte, indem es zwischen ihnen wanderte und wichtige Eigenschaften in der gesamten Gemeinschaft verbreitete.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Komplexität dieses Milchstarters nicht nur darin besteht, dass viele verschiedene Arten vorhanden sind, sondern in der riesigen Anzahl der verschiedenen genetischen Kombinationen, die innerhalb von nur wenigen Arten existieren. Die Forscher stellten fest, dass keine einzelne Methode – weder das Züchten von Bakterien im Labor noch das direkte Lesen der DNA der gesamten Mischung – das vollständige Bild erfassen konnte. Die Labormethoden übersehen die häufigsten Stämme, während das direkte DNA-Lesen nicht immer genau sagen konnte, welcher spezifische Stamm welches Gen trägt. Erst durch die Kombination beider Ansätze konnten sie beginnen, das wahre Ausmaß der Vielfalt zu erfassen. Diese verborgene Vielfalt, bestehend aus Zellwänden, Verteidigungssystemen und mobiler DNA, verleiht der Gemeinschaft eine robuste Fähigkeit, viralen Angriffen zu widerstehen und die Qualität des Käses zu bewahren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Widerstandsfähigkeit dieser traditionellen Starter aus einer tiefen, kombinatorischen Vielfalt resultiert, die weitgehend verborgen bleibt, sofern Wissenschaftler die Gemeinschaft nicht durch mehrere Linsen gleichzeitig betrachten.