Emergenz und Selbstorganisation des bakteriellen Stoffwechsels in Konsortien stoffaustauschender Bakterien

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Grünberger; Professor Dr. Christian Kost
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504072468

Mikrobielle Gemeinschaften spielen in vielen terrestrischen und marinen Habitaten eine wesentliche Rolle. Diese lebenswichtigen Funktionen ergeben sich in der Regel aus komplexen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Stämmen, die, in Kombination, zu einer kollektiven Funktion auf Gemeinschaftsebene führen. Jedoch war es bisher nicht möglich, die Eigenschaften eines Konsortiums anhand von Informationen über die beinhalteten Einzelstämme vorherzusagen. Eine wahrscheinliche Erklärung hierfür ist, dass diese Interaktionen typischerweise in räumlich strukturierten Bakterienaggregaten ausgetragen werden. Die sich hieraus ergebende Selbstorganisation bestimmt dann das Verhalten (z.B. Wachstum) der einzelnen Stämme und damit auch die Funktion der ganzen Gemeinschaft. In diesem Projekt werden wir diesen Zusammenhang untersuchen, indem wir das Wachstum von Konsortien auxotropher Bakterien als Modellsystem verwenden. Keiner der involvierten Stämme kann alleine wachsen. Stattdessen benötigen diese essenzielle Aminosäuren, welche von anderen Bakterienstämmen abgegeben werden. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass auxotrophe Bakterien häufig multizelluläre Cluster bilden, die den Austausch von Metaboliten zwischen Zellen begünstigen. Ziel dieses Projekts ist es daher, die Funktion der Gemeinschaft (d. h. deren Wachstum) aufgrund von Wissen über die einzelnen Bestandteile vorherzusagen. Zu diesem Zweck werden wir neun bakterielle Genotypen (drei Arten mit jeweils einer von drei Aminosäure-Auxotrophien) verwenden, die in allen möglichen paarweisen und dreifach-Kombinationen kokultiviert werden. Zunächst werden wir die einzelnen Stämme hinsichtlich ihrer Wachstumsanforderungen bzw. Produktionsraten von Aminosäuren charakterisieren. Diese Daten werden zur Parametrisierung eines Individuen-basierten Modells verwendet, mit dessen Hilfe dann das Wachstums auxotropher Genotypen in multizellulären Aggregaten vorhergesagt werden kann. Zweitens werden wir die Vorhersagen des Modells verifizieren, indem wir das Wachstum auxotropher Stämme in multizellulären Aggregaten sowie auf Gemeinschaftsebene untersuchen. Hierbei werden Interaktionen auf Aggregatebene mit Hilfe eines zuvor entwickelten mikrofluidischen Ansatzes quantifiziert. Schließlich wird die Vorhersagekraft der neu entwickelten statistischen und Individuen-basierten Modelle dadurch überprüft, dass die zugrundeliegenden Parameter durch die Kultivierung von Stämmen und Konsortien in verschiedenen Kohlenstoffquellen verändert werden. Hierdurch wird es möglich sein, das neu entwickelte mechanistische Erklärungsmodell zu verifizieren und entsprechend zu verfeinern. Zusammengenommen wird dieses Projekt durch die Verknüpfung von Prozessen auf Zell- und Gemeinschaftsebene grundlegende und neue Erkenntnisse darüber liefern, wie die räumliche Selbstorganisation innerhalb multizellulärer Aggregate die Emergenz kollektiver Funktionen in bakteriellen Konsortien bestimmt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität
• Internationaler Bezug: Israel, Schweiz
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Sigal Ben-Yehuda; Professor Knut Drescher, Ph.D.