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Projekt
Aufrechterhaltung und Evolution von Kooperation in synthetischen mikrobiellen Populationen
Antragsteller
Professor Dr. Erwin Frey; Professor Dr. Heinrich Jung
Fachliche Zuordnung
Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Förderung
Förderung von 2012 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 218087941
Die Entstehung von kooperativen Eigenschaften wie der Produktion eines Gemeingutes in mikrobiellen Populationen sowie deren Aufrechterhaltung in Gegenwart von nicht-produzierenden Nutzern ist ein zentrales Problem der Evolutionsbiologie. In der ersten Förderphase lag unser Fokus auf den Auswirkungen demographischer Schwankungen auf die Wachstumsdynamik und Zusammensetzung kooperativer bakterieller Populationen unter selektiven und nicht-selektiven Umweltbedingungen. In einer kombiniert theoretischen und experimentellen Analyse stellten wir fest, dass unter nicht-selektiven Bedingungen Merkmale in wachsenden Populationen nie fixieren. Stattdessen wird ein Gleichgewicht mit zufälliger Merkmalsverteilung erreicht. Weiterhin bestätigten Experimente unsere theoretische Vorhersage, dass unter selektiven Bedingungen demographische Schwankungen zu einer vorübergehenden Erhöhung des Anteils der Gemeingutproduzenten führen. Wir etablierten ein synthetisches Ökosystem und identifizierten experimentelle Bedingungen für kooperatives Verhalten in Pseudomonas-Populationen. Dabei war die Produktion des Gemeingutes Pyoverdin in Abhängigkeit von der Eisenverfügbarkeit phänotypisch heterogen. Für die kommende Förderperiode planen wir das Projekt in folgende Richtungen zu erweitern: (1) Die molekularen Grundlagen der Produktionsregulation und Pyoverdinnutzung in P. putida sowie deren Bedeutung für die bakterielle Fitness sollen aufgeklärt werden. Unsere theoretischen Modelle werden dabei besser an bakterielle Eigenschaften angepasst, insbesondere durch Berücksichtigung des Einflusses von extern akkumuliertem Pyoverdin auf die Wachstumsdynamik von Produzenten- und Nicht-Produzentenstämmen und deren Ko-Kulturen. Darüber hinaus planen wir, die Rolle individueller Regelkreise der Pyoverdin-Produktion und -Nutzung unter verschiedenen Bedingungen der Eisenverfügbarkeit zu untersuchen. Die Analysen sollen ein umfassendes Bild des regulatorischen Netzwerkes sowie quantitative Informationen zum Zellverhalten unter verschiedenen Umweltbedingungen liefern. (2) Wir werden in räumlich ausgedehnten Systemen untersuchen, ob und wie eine räumliche Strukturierung kooperatives Verhalten beeinflusst. Dabei sollen die Effekte von Dynamik und Regulation der Gemeingüternproduktion sowie eine Heterogenität der bakteriellen Mobilität auf kooperative Verhaltensweisen berücksichtigt werden. Unsere theoretischen Untersuchungen basieren auf der Anwendung von Gittergas-Modellen, die wir mit stochastischen Simulationen sowie analytischen Ansätzen untersuchen werden. Die Experimente werden mit Produzenten/Nicht-Produzenten-Ko-Kulturen in zwei räumlichen Systemen durchgeführt: eine fixierte räumliche Umgebung mit einer diskontinuierlichen räumlichen Ausdehnung der Population, und eine strukturierten Umgebung, die eine kontinuierliche Ausbreitung von Gemeingut und Zellen erlaubt. Die Entwicklung der Ko-Kulturen in Raum und Zeit wird unter verschiedenen ökologischen Bedingungen analysiert werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
