Einfluss biotischer Resistenz auf mikrobielle Invasionen

• Antragsteller: Dr. Christoph Ratzke
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540605007

Mikroben sind wegen ihrer geringen Größe wahre Meister der Ausbreitung. Dies kulminierte in der Idee, dass "alles überall ist, aber die Umwelt selektiert" und Mikroben nicht in ihrer Ausbreitung limitiert sind. Entsprechend wurde mikrobielle Invasion bis vor Kurzem nicht als ein wichtiges Phänomen erkannt, und daher auch wenig untersucht. Allerdings haben Fortschritte v.a. in der Hochdurchsatz-Sequenzierung inzwischen gezeigt, dass auch für Mikroben die Ausbreitung limitierend sein kann und daher auch für sie Invasion in neue Territorien eine wichtige Herausforderung darstellt. Mikroben treffen bei einer Invasion meist auf heimischen Mikroben, die oft die Etablierung der Invasoren erschweren - eine Eigenschaft, die biotische Resistenz genannt wird. Es existieren einige Studien zum Ursprung der biotischen Resistenz in mikrobiellen Systemen, jedoch im Grunde keine Arbeiten darüber, wie die Dynamik einer Invasion durch dieses Phänomen verändert wird. Die zeitliche Dynamik zu verstehen, ist jedoch essentiell, da sie darüber entscheidet, ob eine Invasion erfolgreich ist oder nicht. In dieser Arbeit wollen wir Laborexperimente mit mathematischen Modellen kombinieren, um zu untersuchen, wie biotische Resistenz mikrobielle Invasionen beeinflusst. Für diesen Zweck werden wir ein mikrobielles Modellsystem etablieren, in dem die Ausbreitungsrate und die Stärke der biotischen Resistenz leicht variiert werden können. Auf diese Weise können wir systematisch die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf den Erfolg einer Invasion untersuchen. Wir werden die erhaltenen Daten verwenden, um einen theoretischen Rahmen zu entwickeln, der die Dynamik und den Erfolg der Invasion auf der Grundlage der Interaktionen zwischen dem Eindringling und den einheimischen Mikroben vorhersagt. Schließlich werden wir das gewonnene Wissen nutzen, um die Invasionsdynamik eines Krankheitserregers in eine komplexere Gemeinschaft aus Darmmikroben vorherzusagen. Aus vorläufigen Ergebnissen erwarten wir, dass die Invasion bei schwacher biotischer Resistenz einer kontinuierlichen Welle ähnelt. Eine Zunahme der biotischen Resistenz sollte das Auftreten von "gepulsten Wellen" zur Folge haben, wobei die Invasionsgeschwindigkeit zeitlich schwankt. Bei starker biotischer Resistenz erwarten wir den vollständigen Stillstand der Invasionswelle. Dementsprechend gehen wir davon aus, dass die Ausbreitungsrate über einem kritischen Wert liegen muss, um überhaupt eine Invasion zu ermöglichen. Daher glauben wir, dass ein einfaches parameterfreies Modell sogar den Erfolg einer Invasion in komplexe Mikrobiom-Gemeinschaften vorhersagen kann, was wir experimentell testen wollen. Wir sind überzeugt, dass unsere Ergebnisse nicht nur im Bereich der Mikrobiologie relevant sein werden, sondern auch für die Ökologie und die Infektionsforschung von Bedeutung sind und neues Licht auf das wenig erforschte Phänomen der mikrobiellen Invasion werfen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen