Synergistische Koevolution in ein- und vielartlichen mikrobiellen Konsortien

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Kost
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571482185

Bakterien gehen häufig metabolische Wechselwirkungen ein, bei denen sie essentielle Nährstoffe mit anderen Mitgliedern ihrer mikrobiellen Gemeinschaft austauschen. Anfangs beruhen diese synergistischen Interaktionen auf einem unspezifischen Austausch von Stoffwechselnebenprodukten. Im Laufe der Zeit jedoch kann Koevolution zwischen den interagierenden Partnern das Entstehen kooperativer Wechselwirkungen begünstigen. Hierbei erhöhen die beteiligten Stämme die Produktion der ausgetauschten Metabolite, selbst wenn ihnen hierdurch zusätzliche Kosten entstehen. Da Bakterien in der Regel in taxonomisch diversen Gemeinschaften leben, stellt sich die Frage, wie die gleichzeitige Anwesenheit von Stämmen der gleichen oder einer anderen Art koevolutionäre Prozesse beeinflusst. Diese Frage soll durch zwei Evolutionsexperimente beantwortet werden. Zunächst wird ein zuvor durchgeführtes Experiment analysiert, bei dem Paare Aminosäure-auxotropher Bakterienstämme die aus einer zwei unterschiedlichen Arten bestanden, über 250 Generationen miteinander kokultiviert wurden. Zusätzlich wird ein zweites Experiment durchgeführt, bei dem zwei, drei oder vier auxotrophe Genotypen verschiedener Bakterienarten miteinander koevolviert werden. In beiden Fällen werden die abgeleiteten Stämme und Konsortien einer Reihe diagnostischer Tests unterzogen, um festzustellen, ob sich kooperative Stoffaustauschinteraktionen entwickelt haben und ob dies eher bei Interaktionen innerhalb oder zwischen verschiedenen Bakterienarten der Fall ist. Zusätzlich werden Invasionsexperimente und mikroskopische Analysen Rückschlüsse darauf erlauben, ob eine positive Fitness-Rückkopplung in multizellulären Bakterienclustern ursächlich für die Evolution metabolischer Kooperation war. Da dieser Mechanismus bereits zuvor als treibende Kraft zwischen artgleichen Auxotrophen identifiziert wurde, ist es wahrscheinlich, dass er auch kooperative Stoffaustauschinteraktionen zwischen verschiedenen Arten begünstigt. Schließlich soll überprüft werden, inwieweit das gleichzeitige Vorhandensein verschiedener potenzieller Interaktionspartner die Stärke der synergistischen Koevolution und damit den Grad der Partnerspezifität, der phänotypischen Diversifizierung und der lokalen Anpassung beeinflusst. Zusammengenommen wird dieses experimentelle Projekt erste Einblicke in die Faktoren liefern, die die Evolution metabolischer Interaktionen in taxonomisch diversen Mikrobiomen bestimmen. Die erwarteten Ergebnisse werden die Entwicklung innovativer Strategien ermöglichen, die die Evolution bestimmter erwünschter Zustände in rational konzipierten mikrobiellen Konsortien begünstigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen