Interactions between bacteria, host and diet in the intestine

Abstract

The intestine is colonized by a vast number of bacteria. In addition, archaea, eukaryotic microorganisms and viruses are present in the digestive tract. The entity of microorganisms that inhabit the gut are referred to as intestinal microbiota. Although this definition includes all microbes, the term microbiota will be used synonymously for the bacterial members throughout this thesis. In a physiological state, gut bacteria beneficially influence host physiology and health. In contrast, alterations in composition and function of the intestinal microbiota have been implicated in adverse effects. Endogenous host factors and nutrition are considered important modulators of intestinal microbiota and may influence the nature of bacterial effects on the host. However, the interactions between gut bacteria, the host and diet are highly complex and far from being completely understood. This thesis is based on ten peer-reviewed publications that focus on (i) endogenous factors that shape the composition of bacterial communities in a given host, (ii) selected dietary components that affect gut microbiota composition and function, and (iii) the targeted modulation by dietary supplements of intestinal microbiota composition and function. In the Introduction, microbiota composition and important functions of gut bacteria are described. Chapter 1 “Host factors influencing intestinal microbiota composition” addresses endogenous factors that may influence intestinal microbiota composition and function including the host genotype and health status. In Chapter 2 “Interactions between gut bacteria and diet”, bacterial responses towards dietary intervention in animals with a complex microbiota and in gnotobiotic rodents with a simplified model microbiota are described. In addition, the bacterial transformation of selected dietary ingredients has been studied and effects on host physiology are presented. The efficacy of microbiota manipulation by the use of prebiotics and probiotics, respectively, is the topic of Chapter 3 “Modulation of intestinal microbiota by dietary intervention”. Finally, in the General Discussion the most significant findings of the studies that are presented in this thesis are discussed in a more general context. In addition, future perspectives for studies on open questions are presented.

Der Darm wird von einer großen Zahl von Bakterien besiedelt. Hinzu kommen Vertreter der Eukaryoten und der Archaeen. Die Gemeinschaft dieser Mikroorganismen wird als intestinale Mikrobiota bezeichnet, allerdings stellen die Bakterien die wichtigste Gruppe im Ökosystem Darm dar. Unter physiologischen Bedingungen tragen Darmbakterien zur Aufrechterhaltung der Gesundheit ihres Wirtes bei. Unter bestimmten Umständen können sie jedoch auch negative Effekte ausüben. Es wird angenommen, dass endogene Wirtsfaktoren und die Ernährung die Zusammensetzung und Funktion der intestinalen Mikrobiota maßgeblich beeinflussen. Allerdings sind die Interaktionen zwischen Darmbakterien, Wirt und Ernährung hoch komplex und bislang noch nicht ausreichend verstanden. Die vorliegende Arbeit basiert auf zehn Publikationen. Themen dieser Publikationen sind (i) endogene Wirtsfaktoren, die die Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota beeinflussen, (ii) ausgewählte Nahrungsfaktoren, welche die Zusammensetzung oder Funktion der intestinalen Mikrobiota modulieren können und (iii) Möglichkeiten zur gezielten Beeinflussung der Mikrobiota durch Nahrungs- und Futtermittelzusätze. Der Arbeit ist eine Einleitung vorangestellt, in welcher die Zusammensetzung und wichtige Eigenschaften der intestinalen Mikrobiota dargestellt werden. In den folgenden drei Kapiteln werden die oben genannten Aspekte anhand publizierter Befunde behandelt. Abschließend werden die wichtigsten Erkenntnisse dieser Arbeit in einem breiteren wissenschaftlichen Kontext diskutiert.