Untersuchungen zur metabolischen Interaktionen von Umwelt, Mikrobiom und Wirt in Hydra

• Antragsteller: Dr. Jan Taubenheim
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525705073

Das menschliche Mikrobiom hat einen großen Einfluss auf Physiologie und Gesundheit seines Wirts, und eine Dysbiose kann enorme Auswirkungen auf verschiedene Krankheiten haben. Daher ist es von großer Bedeutung zu verstehen, wie sich das Mikrobiom zusammensetzt, wie es auf veränderte Umweltbedingungen reagiert und wie es verändert werden kann, um die Auswirkungen von Dysbiosen zu mildern. Das menschliche Mikrobiom unterscheidet sich stark zwischen Individuen und ist hochkomplex, mit zahllosen potenziellen Wechselwirkungen mit dem Wirt sowie zwischen den Bakterien. Es ist wünschenswert, das wirtsassoziierte Mikrobiom in einer simpleren Umgebung zu untersuchen, um Wechselwirkungen verfolgen zu können und allgemeine Mechanismen zu identifizieren, die auf komplexere Systeme übertragen werden können. Hier schlage ich vor, Hydra als Modellsystem zu verwenden, um die metabolischen Interaktionen zwischen Bakterien und Hydra unter wechselnden Nährstoffbedingungen zu untersuchen. Das Hydra-Mikrobiom ist weniger komplex als das menschliche und besteht aus 8-15 Taxa. Darüber hinaus wurde ein Großteil der Gemeinschaft isoliert und kann separat untersucht werden. Außerdem können Hydra-Polypen mit Teilen des Mikrobioms neu besiedeln werden, was das Modellsystem äußerst wertvoll für Untersuchungen von Bakterium-Bakterium sowie Bakterien-Wirt Interaktionen in einem mehrzelligen Wirt macht. Ich werde die genetische Information von Hydra und dessen assoziierten Bakterien nutzen, um metabolische Modelle aller Mitglieder der Gemeinschaft zu rekonstruieren. Anhand dieser Modelle werde ich die metabolischen Interaktionen zwischen Bakterien und zwischen Bakterien und Wirt vorhersagen. Außerdem werde ich Änderungen in der Nährstoffverfügbarkeit simulieren und bewerten, wie sich diese auf die Interaktionen auswirken. Die Ergebnisse werden mit Veränderungen in den 16S-Daten nach einer Variation der Nährstoffverfügbarkeit assoziiert um Interaktionen zu identifizieren die wichtig für die Mikrobiomzusammensetzung sind. Dabei werde ich mich zuerst auf paarweise Bakterium-Bakterium- sowie Bakterien-Wirt-Interaktionen und deren Assoziation zur Gemeinschaftsdynamik konzentrieren. Anschließend werde ich die Interaktionen zwischen einzelnen Bakterien und der restlichen Gemeinschaften genauer untersuchen, um den Beitrag dieser Ein-zu-Vielen-Interaktionen zur Dynamik der Gemeinschaft zu bewerten. Die vorgeschlagene Studie ist stark interdisziplinär ausgerichtet und kombiniert computergestützte Methoden wie Metabolic Modeling, Genomik und Metagenomik, um die Interaktionen zwischen Wirt und Mikrobiom zu untersuchen und deren ökologische Funktionen zu beschreiben, was zu einem umfassenderen Verständnis des Systems führt. Insgesamt bietet die vorgeschlagene Studie einen einzigartigen Einblick in die komplexen Beziehungen zwischen Wirt, Mikrobiom und Umwelt und hat das Potenzial, allgemeine Mechanismen zu identifizieren, die auch für die menschliche Gesundheit und Krankheit relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen