Sämtliche Lebewesen – von den einfachsten tierischen und pflanzlichen Organismen bis hin zum menschlichen Körper – werden von einer Vielzahl an Mikroorganismen besiedelt. Sie stehen in funktionaler Beziehung zu diesen Mikroben. Die Erforschung dieser symbiotischen Zusammenarbeit von Wirtsorganismus und Kleinstlebewesen ist eine zentrale Herausforderung für die moderne lebenswissenschaftliche Forschung.
Dabei ist die Zusammensetzung des Mikrobioms, also die Gesamtheit der Mikroorganismen, die einen Körper besiedeln, bei zahlreichen Lebewesen gut untersucht. Jedoch ist weitgehend unbekannt, wie diese Mikroben mit dem Körper zusammenarbeiten und welche Rolle sie dabei für dessen biologische Funktionen spielen. Der Kieler Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) verfolgt daher das Ziel, Stück für Stück die Kommunikation und damit auch die funktionalen Konsequenzen der Wirt-Mikroben-Beziehungen zu verstehen.
Symbiose zwischen Fadenwurm und Mikrobiom
Dazu untersuchten Forscher erstmals das funktionelle Repertoire des Mikrobioms des Fadenwurms Caenorhabditis elegans. Der Fadenwurm ist aufgrund seiner einfachen Organisation und kurzen Generationszeiten ein klassischer Modellorganismus in der biologischen und medizinischen Forschung. Die Wissenschaftler analysierten die Erbinformationen von insgesamt 77 wichtigen Bakterienarten aus dem Verdauungstrakt des Wurms und erstellten mathematische Modelle der Stoffwechselnetzwerke dieser Mikroorganismen. So konnten sie anhand der genetischen Informationen vorhersagen, welche Metabolite als Endprodukte bestimmter verfügbarer Nährstoffe entstehen können.
„Das Fazit unserer Modellierung ist, dass das Mikrobiom des Wurms in der Lage ist, so gut wie alle für den Wirt essentiellen Nährstoffe zu produzieren“, betont Johannes Zimmermann, Doktorand in der CAU-Arbeitsgruppe Medizinische Systembiologie und Mitglied im Sonderforschungsbereich. Anschließend konnten diese Ergebnisse experimentell im Labor bestätigt werden.
Modell für funktionale Studien des Mikrobioms
Das so am Beispiel des Fadenwurms entwickelte Modell, metabolische Netzwerke anhand genetischer Informationen theoretisch und experimentell abzuleiten, könnte als Modellsystem für diverse Lebensprozesse wie etwa die Individualentwicklung oder die Alterung dienen. Die entwickelte Methodik könnte künftig dabei helfen, den Funktionsumfang des Mikrobioms auch bei anderen Lebewesen – einschließlich des Menschen – zu entschlüsseln.
„Mit unserem neuen Ansatz zur funktionalen Analyse des Mikrobioms stoßen wir die Tür auf zu einem besseren Verständnis des elementaren Zusammenwirkens von Lebewesen und ihren mikrobiellen Symbionten“, betont Prof. Hinrich Schulenburg, Leiter der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik und Vize-Sprecher des SFB 1182.
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