Toxizität kann mikrobielle Arten zur Kooperation anregen
Als Modellsysteme offenbaren Mikroben viel über die Ökologie und Evolution größerer Organismen mit rasant wachsenden Populationen, wodurch sie sich gut für Laborstudien eignen. Sie sind auch an sich wichtige Organismen, da sie lebensnotwendige Nährstoffe liefern, die andere Organismen nicht so einfach aufnehmen können – dazu zählen für einige Tiere (darunter Menschen) zum Beispiel Vitamin K und für Pflanzen Stickstoff. Mikroben können Krankheiten übertragen. Daherkönnte mehr Wissen über sie dazu beitragen, Infektionskrankheiten und andere mikrobenabhängige Krankheiten wie Adipositas einzudämmen. „Unser Überleben ist eindeutig mit Mikroben verbunden, doch es bestehen noch viele Wissenslücken, zum Beispiel die Frage, ob Arten miteinander konkurrieren oder kooperieren“, sagt Sara Mitri, die Projektkoordinatorin von EVOMICROCOMM. Das Projekt wurde über den Europäischen Forschungsrat finanziert.
Ein Modellsystem
Die Untersuchung von Mikroben in ihrer natürlichen Umgebung ist aufgrund der Vielzahl an Arten schwierig, doch Laborumgebungen sind ein schwacher Ersatz. Daher entwickelte EVOMICROCOMM ein Modellsystem: Es umfasst vier Arten und die natürliche Umgebung wird durch ein industrielles Öl nachgeahmt. „Das ist eine der ersten Studien, bei der die sich verändernden Interaktionen zwischen mikrobiellen Arten genau beobachtet werden, um Erkenntnisse zu Koevolution und Umweltabhängigkeiten zu gewinnen“, erklärt Mitri von der Universität Lausanne, dem Projektträger. Eine wichtige Entdeckung war, dass die Interaktionen zwischen den Mikroben kontextabhängig sind: Toxische Umgebungen führen manchmal zu positiven Interaktionen, wenn mindestens eine Art die Toxine abbauen kann. „Die von uns geschaffene Gemeinschaft könnte auf alle mikrobiellen Gemeinschaften anwendbar sein, einschließlich solche, die in Kompost vorkommen und probiotische Gemeinschaften“, ergänzt Mitri.
Wettbewerb oder Kooperation?
Das Team arbeitete mit vier Bakterienarten: Agrobacterium tumefaciens, Comamonas testosteroni, Microbacterium saperdae und Ochrobactrum anthropi. Bei diesen wurde zuvor bestimmt, dass sie in der Flüssigkeit aus industriellem Öl zur Metallverarbeitung gedeihen können. Dieses industrielle Öl gilt als Schadstoff, sodass mehr Wissen über das mikrobielle Ökosystem darin möglicherweise wichtige praktische Hinweise zur Umweltsanierung liefern könnte. „Nachdem wir erkannten, dass wir die Toxizität des Öls als Eigenschaft nutzen können, beobachteten wir, dass Mikroben zwar alleine nicht gut in toxischen Umgebungen überleben, als Gemeinschaft aber schon. Wenn wir immer Nährboden verwenden, in dem alle Arten wachsen können, entgehen uns diese Interaktionen womöglich“, berichtet Mitri. Das Team untersuchte, wie das Ausmaß der Toxizität sich auf die mikrobielle Ökologie auswirkt. Eine einzige Verbindung, die bei hohen Konzentrationen toxisch ist, scheint eine Kooperation auszulösen. Wird die Konzentration jedoch reduziert, herrscht Wettbewerb zwischen den Arten vor. Nachdem die Gemeinschaft mit vier Arten der Evolution im industriellen Öl überlassen wurde, beobachtete das Team in einem zweiten Experiment, dass die Gemeinschaft, sofern die positiven Interaktionen für eine gewisse Dauer aufrechterhalten wurden, sich gemeinsam gegen eine neue, vom Team eingeführt Art wehrte. EVOMICROCOMM führte auch eine neue Methode zum Aufbau von mikrobiellen Gemeinschaften vor. Vor den Experimenten mit echten Gemeinschaften wurden rechnergestützte Modelle erstellt, die die Wachstumsraten in toxischen Umgebungen berechnen. Mit dem Algorithmus berechnete das Team die optimale Kombination an Arten für den Abbau der Schafstoffe im industriellen Öl – zwei der ursprünglichen Arten und zwei neue. „Unser Zuchtansatz bringt bessere Ergebnisse als bisherige Bemühungen, da die Arten leichter ausgetauscht werden können. Das erweitert die Anzahl möglicher Zusammensetzungen“, fährt Mitri fort. .
Zahlreiche Vorteile
Wissen darüber, welche Arten wie von Antibiotika profitieren, die (für sie) toxisch sind, könnte gezieltere Behandlungen ermöglichen, um so das Aufkommen von Antibiotikaresistenzen zu stoppen. Der Gemeinschaftsaufbau des Projekts ist insbesondere für industrielle Prozesse zum Abbau von Kompost oder Kunststoffen hilfreich, um diese in Biokraftstoffe oder andere chemische Erzeugnisse umzuwandeln – an diesen Themen arbeitet das Team nun. „Wir wurden bereits von Labors kontaktiert, die sich für diesen Bereich und auch für die Umwandlung von Pflanzenfasern in Ethanol interessieren“, so Mitri abschließend. Das Team testet derweil, ob der Ansatz auf andere Ökosysteme angewandt werden kann, wobei erneut mathematische Modelle erstellt und geprüft werden.
Schlüsselbegriffe
EVOMICROCOMM, mikrobiell, Antibiotika, Kooperation, Wettbewerb, toxisch, Bakterien, Arten, Nährstoffe, Öl, Kunststoffe
