Menschliches Archäom

Vor 40 Jahren beschrieben Woese und Fox die dreiteilige Struktur des Lebensbaums, als sie die dritte Domäne des Lebens entdeckten: die Archaeen. Obwohl sie wie Bakterien Prokaryoten sind, besitzen Archaeen eine grundlegend andere Biologie. Sie galten lange Zeit als uralte, extremophile Mikroorganismen, doch ihr Bild wird sich ändern. Der menschliche Körper ist von Billionen von Mikroorganismen umgeben, die sich auf die menschliche Gesundheit auswirken. Das Mikrobiom besteht nicht nur aus Bakterien, sondern enthält auch kleine Eukaryoten, Pilze, Viren – und Archaeen. Archaeen sind wie Bakterien Prokaryoten, besitzen aber eine grundlegend andere Biologie. Obwohl sie einen erheblichen Teil des menschlichen Mikrobioms beeinträchtigen (bis zu 10 % auf Haut und Darm) und sogar die am häufigsten vorkommenden Bakterienarten übertreffen können, wird die Präsenz und Bedeutung der menschlichen Archaeen ständig vernachlässigt (kein einziger Archaeen-Erreger wurde identifiziert) oder aus methodischen Gründen übersehen. Unsere Forschung zum menschlichen Archäom widmet sich diesen vernachlässigten Komponenten des menschlichen Archäoms, und wir sind daran interessiert, ihre Vielfalt, Fülle und Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verstehen.

Projekte

The role of Archaea in the human body

Trillions (10¹⁴) of microbes live in and on the human body, forming the human microbial community. These complex communities contain taxa from all three domains of life (bacteria, eukaryotes and archaea) as well as viruses.
Scientists have shown that microorganisms associated with the human body play an important role in health maintenance. Microbes help in energy harvest and storage, and have a variety of metabolic functions such as fermentation and absorbing undigested carbohydrates; they interact with the immune system and support the development of normal immune functions.
A special group of microorganisms, the archaea, have been poorly studied in relation to the human body. Archaea have been identified in the gastro-intestinal tract, the oral cavity and on the human skin. The dominant archaea in the gastro-intestinal tract are the methanogens, representing almost 10% of all anaerobic microorganisms. Methanogens are part of the commensal microbiota and form stable colonization within the human body and are often in syntrophic relationships with other bacteria. These microbes reduce the metabolic products resulted during fermentation leading to an increased efficiency of bacterial fermentation. Methanogens produce methane under anaerobic conditions by using bacterial fermentation products such as hydrogen, carbon dioxide, methanol, acetate and methylamines. These microbes are thought to be “key stone” species influencing the community composition and function, by keeping the hydrogen partial pressure at low levels. Much less is known on the human skin archaea, which belong to the thaumarchaeal phylum, and could be involved in skin surface ammonia turnover, or associated halophilic archaea, that were even found in human milk samples.
We think that Archaea are normal components of the human microbiota and that they are closely interacting with numerous Bacteria. We assume that they play a key role in metabolism and that their metabolic products can influence the host.
Our objectives are:
- Visualization and quantification of Archaea in gut, oral and skin samples
- Detection of Archaea-colocalized and potential syntrophic bacteria
- Cultivation of human-associated Archaea
- Functional analysis of human-associated Archaea in the host system and in cultures
Team: Christine Moissl-Eichinger, Marcus Blohs, Manuela Pausan, Zobia Hameed

The Archaeome of the gastrointestinal tract

Archaea have come of age since their discovery 40 years ago: initially considered extremophilic anomalies they are now recognized as organisms of universal environmental importance. Archaea also comprise a substantial part of the human microbiome of each individual, but the archaeome has been widely ignored, also due to methodological reasons. In the last years, we have advanced a panel of methodologies to study archaea in human microbiomes and discovered considerable amounts of archaea on human skin, nose and certain areas of the human gastrointestinal tract (GIT). The highest percentage of archaeal signatures in the GIT was found in stool samples of persons exhaling elevated volumes of methane (methane-overproducers; 10% archaea), in appendix biopsies (inflamed, not-inflamed; up to 70% archaea) and meconium/stool samples from pre-term born infants (up to 13,500 archaeal 16S rRNA gene copies/200 mg).
The human GIT is the body area of highest microbial activity and interaction. Facing a severe knowledge limitation with respect to the role of the human archaeome, we herein address different clinical patterns (methane over-producers, appendicitis, pre-term GIT microbiome), where we have already evidence for an (elevated) abundance of archaea. We will use these settings (whereas the methane-overproducers serve as models for more detailed studies and the appendicitis/pre-term GIT part is more explorative) to answer specific questions on the abundance, diversity, role and impact of Archaea in the GIT, by using a combination of molecular quantitative methods, amplicon/metagenome/genome sequencing (Illumina Mi/HiSeq, NanoPore technology, genome reconstruction and annotation), metatranscriptomics, metabolomics, FISH, targeted cultivation and isolates characterization. More specifically, we will address the following goals: i) Determine archaeal abundance and diversity in GIT health and disease, ii) analyze archaeal interaction with bacteria, fungi and the human host and its (clinical) characteristics, iii) assess archaeal genetic and functional profiles, iv) increase the number of cultivated, human-associated archaea for detailed characterization.
With all the proposed steps herein, we are entering new fields in the area of microbiome research and retrieve information on a largely neglected component of the human microbiome.
The innovative aspects of this project are:
- Methods: unique combination of archaea-targeting methodology and archaeome expertise in a medical setting
- Study object selection: Selection of three clinical patterns for which we have retrieved proof of increased archaeal abundance or even participation,
- Combination of detailed studies and explorative work packages,
- Specific focus also on cellular/organismic analyses (cultivation, FISH, isolates characterization).
Team: Christine Moissl-Eichinger, Marcus Blohs

Archaeen auf der Haut

Die Mehrzahl aller Zellen im menschlichen Körper sind Mikroorganismen. Änderungen in diesem unsichtbaren Organ, dem sogenannten Mikrobiom, gehen häufig mit gesundheitlichen Problemen, z.B. entzündlichen Darmerkrankungen oder Fettleibigkeit einher. Das menschliche Mikrobiom setzt sich aus Bakterien, Pilzen, Viren und Archaeen zusammen. Archaeen ähneln Bakterien in ihrer Form, Größe und Organisationsform als Einzeller, jedoch bilden sie, mit ihren eigenen molekularen Funktionen, im Stammbaum des Lebens einen eigenen Abzweig. Obwohl Archaeen im menschlichen Mikrobiom bis zu 10% ausmachen können und sie sogenannte Schlüsselmikroben darstellen, ist das Wissen über sie enorm eingeschränkt, hauptsächlich aufgrund methodischer Probleme. So ist bislang kein einziger pathogener Vertreter bei den Archaeen bekannt.
Während der letzten Jahre haben wir die Detektionsmethoden für Archaeen verbessert, und wir konnten zeigen, dass das menschliche Archaeom deutlich diverser ist, als ursprünglich angenommen. Archaeen wurden als substantielle Komponente der Nase, Lunge, Verdauungstraktes identifiziert, sowie der Haut. Die Haut ist hauptsächlich von sogenannten Thaumarchaeota bevölkert, die auch in der natürlichen Umgebung (wie z.B. Erde) vorkommen, und dort für effiziente Ammonium-Oxidation verantwortlich sind. Der Anteil der Archaeen auf der Haut variiert von unterhalb des Detektionslimits bis 12% Der Anteil und die Diversität der Archaeen scheint von mehreren Parametern abhängig zu sein, so z.B. dem Alter oder der Hautphysiologie. Zudem konnten wir Archaeen in erkrankten Hautstellen (Prurigo/Psoriasis) nachweisen. Obwohl wir erste Einblicke bereits bekommen konnten, stehen wir jedoch einer enormen Wissenslücke gegenüber, die nun im Rahmen des Projektes geschlossen werden soll.
Hypothesen: Wir sind überzeugt, dass die Archaeen eine stabile Komponente des menschlichen Hautmikrobioms sind. Wir wollen zeigen, dass sie mit Bakterien interagieren, und dass ihr Vorkommen mit der Hautnische und physikalischen Parametern wie Feuchtigkeit, PH, oder Gesundheitsstatus korreliert. Wir sind überzeugt, dass die Hautarchaeen physiologisch aktiv sind und sich deutlich von ihren Verwandten in den natürlichen Biotopen unterscheiden, um ihnen eine Persistenz auf der menschlichen Haut zu ermöglichen. Wir sind überzeugt, Archaeen sind in die Prozesse von Krankheit und Gesundheit des menschlichen Körpers involviert.
Methoden: Wir kombinieren verschiedene modernste Methoden, z.B. Sequenzierungstechnologie der nächsten Generation mit verbesserter Anreicherung und Kultivierung. Zusätzlich verwenden wir modernste bildgebende Verfahren um Informationen auf verschiedenen Ebenen zu erhalten.
Innovation: Dieses Projekt ist sehr innovativ, da es verschiedenste Disziplinen zusammenbringt, incl. medizinischer Forschung (Dermatologie), Mikrobiomforschung (Erforschung der Interaktion des menschlichen Körpers mit Mikroorganismen) und Archaeen- Grundlagenforschung. Mit diesem interdisziplinären Ansatz, studieren wir das wenig erforschte Archaeom in gesunden und erkrankten Personen, und wir werden wichtige Informationen erhalten bzgl. der Funktion, Genom und Physiologie dieser ungewöhnlichen Mikroben auf der menschlichen Haut. Unsere Ergebnisse werden dann eine erste Risikoabschätzung erlauben, ob Archaeen eine wichtige Rolle in der menschlichen Krankheit spielen.
Team: Christine Moissl-Eichinger, Alexander Mahnert, Daniela Brunner, Anna Schwarz, Theodora Gößler
Kooperationspartner*innen: Christa Schleper, Universität Wien, Peter Wolf, Med Uni Graz

Cow in you

Methanogenic archaea, such as Methanobrevibacter smithii belong to the important keystone species in the human gastrointestinal tract (GIT). They are able to generate methane by utilizing hydrogen and small carbon compounds such as carbon dioxide.
Methane, which is mainly excreted by flatus, can also be exhaled through the lungs via diffusion through the systemic circulation. As a result, this gas can be detected in human’s breath. Levels of methane might be influenced by long-term diet since diet was described as one of the significant factors influencing overall microbiome composition and thereof the abundance of methanogens. Interestingly, the amount of methane was even found to correlate with human’s body mass index.
Hypothesis: Individual diet plays an important role in modulation the gut microbiome composition. As a consequence of altered microbial composition in the gut, microbially produced methane (emitted through breath) varies according due to dietary habits. Furthermore we assume that increased abundance of methanogens correlates with elevated methane levels in breath.
Preliminary results: In this study, 15% of all participants (n=100) were classified as high methane emitters (breath methane level ≥ 5 ppm) via breath test. Relative and absolute abundance of methanogens were indeed increased in high methane emitters compared to low emitters and we could confirm that Methanobrevibacter correlates significantly with elevated breath methane levels. A co-occurrence of Methanobacteriaceae and Christensenellaceae could be seen in participants who emitted higher levels of methane.
Perspectives: The gained knowledge might be helpful to use dietary interventions as new therapeutic opportunities for gut health issues in the future by modulating the gut microbiome via changes in dietary habits.
Team: Christine Moissl-Eichinger, Christina Kumpitsch