Erforschung der ökologischen Landschaft mikrobieller Gemeinschaften

• Antragsteller: Dr. Christoph Ratzke
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468972576

Mikroben leben für gewöhnlich nicht isoliert, sondern in komplexen Gemeinschaften. Trotz der Bedeutung solcher Gemeinschaften für unsere Gesundheit und unser Wohlergehen – vor allem wenn man die komplexen mikrobiellen Gemeinschaften betrachtet, die in und an unserem Körper leben – haben wir ein sehr limitiertes Verständnis wie diese Systeme funktionieren. Vor allen Dingen fehlt eine mechanistische Beschreibung wie die Interaktionen zwischen den Mikroben die Gemeinschaft in ihrer Gesamtheit formen. Andere komplexe dynamische Systeme, wie Evolution oder Proteinfaltung – wurden mit Hilfe von „Energielandschaften“ beschrieben, in denen das jeweilige System die Tendenz hat sich zu den Tälern (oder Gipfeln) zu bewegen. Kürzlich erschienene Publikationen – auch von uns – deuten darauf hin, dass dieses Konzept auch auf komplexe mikrobielle Gemeinschaften übertragen werden könnte – als eine Art „ökologischer Landschaft“. Komplexe mikrobielle Systeme würden sich daher – getrieben von den mikrobiellen Interaktionen in ihnen - in Zustände bewegen, die den Tälern dieser Landschaften entsprechen. Die Anzahl solcher Täler würde entscheiden, in wie vielen finalen Zuständen das System existieren kann.In diesem Projekt werden wir testen in wieweit die Idee von „Energielandschaften“ auf mikrobielle Gemeinschaften angewandt werden kann und ob es als konzeptioneller Rahmen dienen kann ihre Eigenschaften zu beschreiben und vorherzusagen. Dies soll durch eine Kombination von Laborexperimenten, mathematischer Modellierung und Hochdurchsatzsequenzierung erreicht werden. Wir wollen weiterhin herausfinden, ob wir die grobe Form solcher ökologische Landschaften vorhersagen könne, wenn wir die vorherrschende Art mikrobieller Interaktion in der Gemeinschaft kennen. Für diesen Zweck werden wir zuerst nach Bedingungen suchen unter den spezifische Arten von Interaktionen in paar-weiser Ko-kultur gehäuft auftreten (Resourcenwettbewerb, chemische Kriegsführung, gegenseitige Nahrungsversorgung oder gegenseitiger Schutz). Dann werden wir mathematische Modelle verwenden, um die Form der ökologischen Landschaften für mikrobielle Gemeinschaften vorherzusagen, die mit einer der obigen Interaktionstypen angereichert sind. Schließlich werden wir experimentell die ökologischen Landschaften abtasten, indem wir viele mikrobielle Gemeinschaften konstruieren, die die gleichen Bakterienarten beinhalten, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen. Wir werden den Trajektorien solcher Gemeinschaften mit Hochdurchsatzsequenzierung folgen, um eine direkte Abbildung ökologischer Landschaften zu erhalten und die Ergebnisse mit den Simulationen vergleichen zu können. Zusammenfassend gedenken wir, das Konzept von ökologischen Landschaften also ein grundlegendes Konzept zur Beschreibung mikrobieller Gemeinschaften zu etablieren. Solch ein Konzept wäre zentral für das Langzeitziel unseres Arbeitsgruppe, der spezifischen Manipulation und der Konstruktion mikrobieller Gemeinschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen