Vitamin-B12-Produktion durch Bakterien

Vitamin B12 zählt zu den interessanten und komplexesten biologischen Molekülen. Obwohl alle höheren Lebewesen auf eine Versorgung mit Vitamin B12 angewiesen sind, kann es ausschließlich von bestimmten Bakterienarten produziert werden und weder Pflanzen noch Tiere haben diese Fähigkeit im Laufe der Evolution erworben.

Lange Zeit galt deshalb, dass alle höheren Lebewesen auf eine Aufnahme von Vitamin B12 mit der Nahrung angewiesen sind. Mit zunehmender Erforschung des menschlichen Mikrobioms – also der Bakterien in unserem Körper – gerät dies aber zunehmend in Frage.

Es scheint immer mehr, dass höhere Lebewesen im Laufe der Evolution eine symbiotische Verbindung mit einigen Vitamin-B12-produzierenden Bakterien eingegangen sein könnten, die das Vitamin in unserem Darm herstellen und so einen Beitrag zur Vitamin-B12-Versorgung leisten. Dies wäre vor allem eine Gute Nachricht für Vegetarier und Veganer, die kaum B12-Quellen in ihrer Nahrung haben.

Dieser Artikel soll Licht in diesen hoch spannenden aber leider noch wenig beachteten Bereich der Vitamin-B12-Forschung bringen und die Möglichkeiten und Grenzen dieser Art der B12-Aufnahme aufzeigen.

Das menschliche Mikrobiom

Obwohl der menschliche Körper aus etwa 10-40 Trillionen Zellen besteht, wird diese gewaltige Zahl durch die Größe der Bakterienpopulation, die unseren Körper besiedelt noch weit übertroffen – genauer um fast ein Hundertfaches: Die Bakterien sind mit etwa 100 Trillionen bakteriellen Zellen deutlich in der Überzahl. (1) Auch unter dem Gesichtspunkt des Erbgutes übertreffen uns die Bakterien um ein Weites – auf jedes menschliche Gen in unserem Körper kommen etwa 1000 bakterielle Gene von bis zu 10.000 verschiedenen Bakterienstämmen. (2)

Unser Körper ist also weit weniger die autarke Biomaschine, als die ihn die moderne Medizin oft betrachtet. Er ist vielmehr ein vielfältiges Ökosystem, in dem zahlreiche Lebensformen – bestenfalls symbiotisch – zusammenleben und in dem der Mensch selbst deutlich in der Unterzahl ist.

Gute und schlechte Bakterien

Während krankmachende Bakterien eine Bedrohung für den Körper darstellen, ist heute klar, dass das Ökosystem unseres Körpers auf bestimmte gutartige Bakterien angewiesen ist, um gesund zu bleiben. Die Evolution hat zu einer Symbiose des Menschen mit diesen Bakterienstämmen geführt, die nun ein fester Teil unseres Stoffwechselsystems sind.

Trillionen gutartiger Bakterien in unserem Körper sondern konstant verschiedenste Botenstoffe, Stoffwechselprodukte, Erbgut und Nährstoffe ab und erfüllen im Körper extrem wichtige Aufgaben, wie den Schutz vor Krankheitserregern, Hilfe bei der Verdauung von für uns ansonsten unverdaulichen Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten, die Stimulation des Immunsystem – und auch die Versorgung mit Nährstoffen. (3)

Heute wird das Mikrobiom darum oft als ein weiteres lebenswichtiges und höchst spezialisiertes Organ des menschlichen Körpers verstanden. Mittlerweile konnte auch gezeigt werden, dass eine ständige Kommunikation zwischen den Darmbakterien und dem Gehirn und Zentralnervensystem besteht – ganz ähnlich, wie es bei einem gewöhnlichen Organ der Fall ist. (4)

Vitamin-B12-Versorgung durch Darmbakterien

Bakterienstämme die im gesunden menschlichen Darm anzutreffen sind, können die Vitamine B1, B2, B5, B6, Folat, Vitamin B12 und Vitamin K2 herstellen und vermutlich auch einen Beitrag zur Versorgung mit diesen Nährstoffen leisten. (5, 6)

Bei Tieren ist dies schon sehr viel länger bekannt: Bei Wiederkäuern können Bakterien im Rumen Vitamin B12 herstellen, weshalb zum Beispiel Kühe nur auf eine ausreichende Versorgung mit dem Spurenelement Cobalt angewiesen sind, welches die Bakterien zur B12-Synthese benötigen. (7)

Gleiches gilt zum Beispiel auch für Fische, die ebenfalls nur Cobalt, aber kein Vitamin B12 von außen benötigen und die B12-Versorgung ebenfalls durch eine Symbiose mit Bakterien sicherstellen. (8, 9) Durch diese Fähigkeit erklärt sich, warum viele vegetarische Tierspezies kein Vitamin B12 von außen benötigen.

Lange Zeit wurde angenommen, dass menschliche Darmbakterien nicht in gleicher Weise ihren Beitrag zur Vitamin-B12-Versorgung leisten, da die B12-Produktion vor allem im Dickdarm stattfindet, wo das Vitamin B12 nicht mehr aufgenommen werden kann. In den Achtziger Jahren konnte jedoch gezeigt werden, dass auch im menschlichen Dünndarm Bakterien leben, die Vitamin B12 herstellen. (10, 11)

Erstaunlicherweise wurde das Gebiet seither kaum erforscht und es fehlen bis heute Studien darüber, wie hoch der Beitrag der Darmbakterien zur B12-Versorgung im Idealfall ausfällt. Der Umstand, dass einige langjährige Veganer, die keinerlei B12-Quellen in ihrer Nahrung haben, keinen Vitamin-B12-Mangel erleiden, legt nahe, dass eine körpereigene Versorgung durch Bakterien möglich sein könnte. Bisher ist aber auch hier nicht erforscht, ob diese Menschen nicht eventuell von zuvor angelegten B12-Speichern zehren.

Vitamin B12 und Darmgesundheit

Der Fakt, dass eine mangelnde Darmgesundheit und die daraus resultierenden Aufnahmestörungen einer der Hauptgründe für Vitamin-B12-Mangel ist, lässt vermuten, dass der Weg zu einer körpereigenen Versorgung durch Darmbakterien für viele Menschen aber ohnehin ein sehr langer sein dürfte.

Stress, Nährstoffmängel, Antibiotika, Drogen und Medikamente – unsere Darmflora ist heute zahlreichen negativen Einflüssen ausgesetzt. Erst durch die immer populärer werdende Forschung am menschlichen Mikrobiom verstehen wir langsam, welch dramatische Auswirkungen eine schlechte Darmgesundheit auf die geistige und körperliche Gesundheit hat. Vergleiche des Mikrobioms von ursprünglich lebenden Völkern mit dem von Menschen der Industrieländer zeigen, dass die ursprünglich lebenden Völker deutliche Unterschiede zeigen. (12)

B12-Mangel eine Zivilisationskrankheit?

Interessante Ergebnisse brachten in diesem Zusammenhang recht alte Studien mit indischen Immigranten in England: Während vegetarisch lebende Inder in Indien zu dieser Zeit seltener einen Vitamin-B12-Mangel erlitten, trat dieser bei indischen Immigranten in England extrem häufig auf. Untersuchungen in Indien lebender Versuchspersonen brachten schließlich bestimmte Bakterienstämme zutage, für die sich im Labor eine Vitamin-B12-Produktion nachweisen lies. (10)

Das Forscherteam spekulierte, dass sich das Mikrobiom durch die Immigration nach Großbritannien und die veränderten hygienischen Bedingungen stark veränderte und die Fähigkeit zur Eigenversorgung so verloren ging. Auch in späteren Studien wurden vor allem die hygienischen Umständen für diese Veränderung der Darmflora verantwortlich gemacht: Das Wasser in Indien enthält deutlich mehr Bakterien und auch der damals noch übliche Verzicht auf Klopapier führte zu einer stärkeren Verbreitung von Darmbakterien. (11)

Der Verlust großer Teile unseres natürlichen Mikrobioms könnte also auch die Folge der hohen Hygiene sein. Dies würde vielleicht auch die heute zunehmende Verbreitung von Vitamin-B12-Mangel in Indien erklären.

Die schlechte Darmgesundheit in den Industrieländern entwickelt leicht einen Teufelskreis: Während eine gesunde Darmflora einen soliden Eigenschutz aufweist, entwickelt sich bei mangelnder Darm-Gesundheit eine Abwärtsspirale. Die Aufnahmefähigkeit für Nährstoffe nimmt mit sinkender Darmgesundheit ab, wodurch wiederum die Darmgesundheit negativ beeinflusst wird. Dies macht die Darmflora angreifbar für Überwucherungen mit krankmachenden Bakterien oder Pilzen, was wiederum die Flora noch weiter zerstört und die Nährstoffaufnahme noch weiter beeinträchtigt.

Es ist also nicht nur der Darm wichtig für die B12-Versorgung, Vitamin B12 ist auch wichtig für den Darm: Eine gute Versorgung mit Vitamin B12 ist wichtig zum Erhalt und zur Regeneration der Schleimhäute, weshalb Vitamin B12 ein kritisches Vitamin zur Wiedererlangung der Darmgesundheit ist und Vitamin-B12-Präparate gerade bei Magen-Darm-Problemen dringend angeraten sind.

Ausblick: Vitamin B12 durch Probiotika?

Denkbar ist jedoch, dass in naher Zukunft spezielle Probiotika – also Medikamente aus guten Darmbakterien – entwickelt werden, welche gleichzeitig die Darmgesundheit und die Fähigkeit zur bakteriellen Vitamin-B12-Versorgung wiederherstellen.

Bis dahin ist aber noch viel Forschung nötig, um die geeigneten Bakterienstämme zu identifizieren, die Effektivität dieser Therapien klinisch zu beweisen und zu quantifizieren, wie viel B12 diese Bakterien tatsächlich produzieren und wie viel der Körper davon aufnimmt.

Welche Bakterien produzieren Vitamin B12?

Erste Kandidaten für solche Probiotika sind schon jetzt bekannt. Unklar ist jedoch noch, wie sichergestellt werden kann, dass diese in ausreichender Anzahl die gewünschten Darmbereiche besiedeln. Bisher ist dies nur durch die neuartige Therapie Fecal Microbiota Transplant (FMT) nachgewiesen, bei der die Bakterien hochkonzentiert durch spezielle Darmsonden in den gewünschten Darmbereich aufgebracht werden.

Doch auch orale Probiotika könnten in ausreichender Dosierung eventuell den gewünschten Effekt bringen – all dies sind spannende Forschungsfelder, die sicherlich recht bald größere Beachtung finden werden.

Hier eine Aufstellung einiger bisher bekannten, B12-produzierenden Bakterienstämme. Teilweise steht der Beweis noch aus, dass es sich um echtes Vitamin B12 und nicht im schädliche Analoga handelt. (13)

Gesichert

• Propionibacterium freudenreichii (14)
• Propionibacterium shermanii (14)
• Pseudomonas denitrificans (14)

Umstritten/unsicher

• Lactobacillus reuteri CRL1098 (15-17)
• Pseudomonas sp. (10)
• Klebsiella pneumoniae IIEMP-3 (18)

Vitamin B12, Bakterien und Cobalt

Eine weitere Schwierigkeit dürfte die Cobalt-Versorgung darstellen. Cobalt ist das zentrale Atom von Vitamin B12 und alle Bakterien benötigen Cobalt, um Vitamin B12 zu synthetisieren.

Schon jetzt stellt dies in der Viehhaltung ein großes Problem dar: Die durch die intensive Landwirtschaft ausgelaugten Weideflächen stellen immer weniger Spurenelemente wie Cobalt zur Verfügung, so dass selbst Rinder heute Vielfach auf Vitamin-B12- oder Cobalt-Präparate angewiesen sind. (19, 20)

Für den Menschen ist der Cobalt-Bedarf bei einer intakten Darmflora kaum erforscht, bisher gilt zudem, dass der Cobalt-Bedarf des Menschen vor allem durch Vitamin B12 gedeckt wird. Es ist nicht auszuschließen, dass bei einer gewünschten B12-Versorgung durch Darmbakterien eine Supplementierung mit Cobalt- und anderen Spurenelementen notwendig wird, da sich Cobalt kaum noch in Gemüse findet. Eventuell kann der Bedarf aber durch einige Algen gedeckt werden.

Fazit: Vitamin B12 und Darmbakterien

Die Erforschung des menschlichen Mikrobioms dürfte einen Paradigmenwechsel in der Medizin einläuten und völlig neue Therapieoptionen eröffnen. Auch in puncto Nährstoffversorgung sind hier recht zeitnah völlig neue Erkenntnisse zu erwarten.

Bis diese praktisch nutzbar werden, dürfte jedoch noch einige Zeit vergehen. Die Ansicht, dass der Mensch grundsätzlich nicht auf Vitamin B12 aus der Nahrung angewiesen ist, scheint vor dem Hintergrund aktueller Forschung etwas voreilig: Noch ist unklar, welche Bakterien in welchem Umfang einen Beitrag zur B12-Versorgung leisten, ob diese bei Menschen in den Industrieländern auch überhaupt in ausreichender Menge im Darm anzutreffen sind und wie es um die Cobalt-Versorgung bestellt ist.

Die Darmgesundheit ist aber auch von Vitamin B12 ganz abgesehen eine wichtige Größe in der Gesunderhaltung und es ist damit zu rechnen, dass die Forschung um probiotische Therapien in naher Zukunft eine große Wichtigkeit erlangen wird. Eine gesunde Ernährung, Darmkuren und der Verzicht auf unnötige Therapien mit Antibiotika stellen schon jetzt wichtige Bausteine zur Wiederherstellung der Darmgesundheit dar.

Quellen

1. Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ: Prokaryotes: the unseen majority. Proc Natl Acad Sci USA, 1998; 95: 6578–83
2. The Human Microbiome Project Consortium: Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature, 2012; 486: 207–14
3. Guarner F, Malagelada J: Gut flora in health and disease. Lancet, 2003; 361: 512–19
4. Mayer EA, Knight R, Mazmanian SK, Cryan JF, Tillisch K. Gut microbes and the brain: paradigm shift in neuroscience. J Neurosci. 2014 Nov 12;34(46):15490-6. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3299-14.2014. Review.
5. Hill MJ. Intestinal flora and endogenous vitamin synthesis. Eur J Cancer Prev. 1997 Mar;6 Suppl 1:S43-5. Review.
6. LeBlanc JG, Milani C, de Giori GS, Sesma F, van Sinderen D, Ventura M. Bacteria as vitamin suppliers to their host: a gut microbiota perspective. Curr Opin Biotechnol. 2013 Apr;24(2):160-8. doi: 10.1016/j.copbio.2012.08.005. Epub 2012 Aug 30. Review.
7. Kon, S. K.; Porter, J. W. G. The intestinal synthesis of vitamins in the ruminant. Vitamins and hormones, 1954, 12. Jg., S. 53-68.
8. Yu-Hung Lina, Jing-Yun Wua, Shi-Yen Shiau. Dietary cobalt can promote gastrointestinal bacterial production of vitamin B12 in sufficient amounts to supply growth requirements of grouper, Epinephelus malabaricus. Aquaculture Volume 302, Issues 1–2, 1 April 2010, Pages 89–93
9. Richard T. Lovell , Tasanee Limsuwan. Intestinal Synthesis and Dietary Nonessentiality of Vitamin B12 for Tilapia nilotica. Transactions of the American Fisheries Society Vol. 111, Iss. 4, 1982
10. Albert MJ, Mathan VI, Baker SJ. Vitamin B12 synthesis by human small intestinal bacteria. Nature. 1980 Feb 21;283(5749):781-2
11. Baker SJ. Contribution of the microflora of the small intestine to the vitamin b12 nutriture of man. Nutr Rev. 1981 Mar;39(3):147-8.
12. Clemente JC, Pehrsson EC, Blaser MJ, Sandhu K, Gao Z, Wang B, Magris M, Hidalgo G, Contreras M, Noya-Alarcón Ó, Lander O, McDonald J, Cox M, Walter J, Oh PL, Ruiz JF, Rodriguez S, Shen N, Song SJ, Metcalf J, Knight R, Dantas G, Dominguez-Bello MG. The microbiome of uncontacted Amerindians. Sci Adv. 2015 Apr 3;1(3).
13. J.H. Martens, H. Barg, M.J. Warren, D. Jahn, Microbial production of vitamin B12 , Appl. Microbiol. Biotechnol. 58 (2002) 275–285
14. S.A. Survase et al.: Production of Vitamins, Food Technol. Biotechnol. 44 (3) 381–396 (2006)
15. Santos F, Vera JL, van der Heijden R, Valdez G, de Vos WM, Sesma F, Hugenholtz J: The complete coenzyme B12 biosynthesis gene cluster of Lactobacillus reuteri CRL1098 . Microbiology 2008, 154 :81-93.
16. Taranto MP, Vera JL, Hugenholtz J, de Valdez GF, Sesma F: Lactobacillus reuteri CRL1098 produces cobalamin . J Bacteriol 2003, 185 :5643-5647.
17. Santos F, Vera JL, Lamosa P, de Valdez GF, de Vos WM, Santos H, Sesma F, Hugenholtz J. Pseudovitamin B(12) is the corrinoid produced by Lactobacillus reuteri CRL1098 under anaerobic conditions. FEBS Lett. 2007 Oct 16;581(25):4865-70.
18. Yulandi A, Sugiokto FG, Febrilina, Suwanto A. Genomic Sequence of Klebsiella pneumoniae IIEMP-3, a Vitamin B12-Producing Strain from Indonesian Tempeh. Genome Announc. 2016 Feb 25;4(1). pii: e01724-15. doi: 10.1128/genomeA.01724-15. PubMed
19. Bennets, H. W., et al. Copper and cobalt deficiency of livestock in Western Australia. Journal of Agriculture of Western Australia, 1955, 4. Jg., S. 43-63.
20. Suttle, Neville F. Mineral nutrition of livestock. Cabi, 2010