Etablierung eines Mikrobioms in kontinuierlichen Kulturen und Modellierung der Mikrobiomdynamik

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ruth Anne Schmitz-Streit
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546086244

In der letzten Dekade haben die Fortschritte der DNA-Sequenzierungsmethoden die Mikrobiomforschung revolutioniert und die genomische Charakterisierung verschiedener mikrobieller Konsortien erleichtert. Diese Fortschritte haben die Neuartigkeit, die Komplexität und das funktionelle Repertoire der Mikroben und gleichzeitig die Rolle der Mikrobiota für Gesundheit und Krankheit von Menschen, Tieren und Pflanzen aufgezeigt. Die Studien konzentrierten sich jedoch weitgehend auf beschreibende Unterschiede zwischen zwei oder mehreren Bedingungen und analysierten weniger die Kausalität aufgrund inhärenter experimenteller Beschränkungen (Komplexität der wirtsassoziierten mikrobiellen Konsortien, große Unterschieden zwischen Individuen/Proben). Dennoch wurden erste Einblicke in repräsentative mikrobielle Konsortien erzielt. Durch die kürzlichen groß angelegten Isolierungsansätze liegen für einen großen Teil der häufigsten Mitglieder von Konsortien Isolate vor, was die Herstellung synthetischer Konsortien (SynComs) erlaubt. Die meisten SynComs wurden bisher in Batch-Kulturen untersucht (festes Volumen, Vollmedium, keine konstante Wachstumsrate). Um diese Einschränkung zu überwinden und komplexe Konsortien unter konstanten Bedingungen zu untersuchen, die der natürlichen Umgebung ähnlicher sind, ist das Ziel, ein kontinuierliches Kultursystem exemplarisch für das menschliche Darm-Konsortium 20HM zu entwickeln. Teilziele sind (1) Etablierung einer robusten und reproduzierbaren kontinuierlichen Kultivierungsplattform für repräsentative SynComs; Entwicklung und Verwendung eines schnellen Monitoringsystems für die Zusammensetzung der Konsortien mittels Sequenzierung und informatischer Analyse, (2) Nutzung dieses kontinuierlichen Systems, um Einblicke in die Dynamik des Konsortiums zu erhalten nach Einführung von Konkurrenzstämmen und Methanoarchaeen; (3) Bewertung der Auswirkungen von Temperaturschwankungen und lytischen Viren auf ein etabliertes Konsortium. Die Probenauswahl für weiterer Analysen wird dabei aufgrund eines Echtzeitmonitorings des Konsortiums erfolgen. Mittels Metatranskriptomik soll die Genexpression in Reaktion auf (a)biotische Stressfaktoren analysiert und mittels Metagenomik die Auswirkungen von Viren auf genomischer Ebene verfolgt werden, um mechanistische Modelle für das Verständnis der Konsortiendynamik zu entwickeln. Insgesamt zielt das Projekt darauf ab, über rein deskriptive und korrelative Studien hinauszugehen und kausale Studien durchzuführen. Es wird die drei wichtigen Herausforderungen im Bereich der integrativen Mikrobiomforschung beinhalten: Verständnis der Variation in der Zusammensetzung des Mikrobioms, Auswirkungen von Störungen und funktionelle Eigenschaften des Mikrobioms. Durch das Kooperationsnetzwerk wird die Anwendbarkeit dieses Systems auf Pflanzenbiome getestet, um zukünftig (mechanistische) Erkenntnisse über den Einfluss mikrobieller Konsortien auf die Pflanzengesundheit zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Robert Daniel Finn, Ph.D.