Forschung

Mikroben leben in mikrobiellen Gemeinschaften in enger räumlichen Nähe zueinander und treten in vielfältige Wechselwirkungen ein. Solche “Mikrobiome” sind in der natürlichen Umwelt allgegenwärtig und auch viele Bereiche des menschlichen Körpers dienen mikrobiellen Gemeinschaften als Siedlungsraum.

Deren Einfluss auf die Gesundheit ist in den letzten Jahren immer deutlicher geworden und Änderungen etwa im Darmmikrobiom sind mit verschiedensten Krankheiten in Verbindung gebracht worden, von Darmentzündungen bis hin zu neurodegenerativen Erkrankungen. Mechanistische Erklärungen zu solchen Korrelationen fehlen jedoch oft und sind aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren die auf das Mikrobiom einwirken schwer zu identifizieren. 

In diesem Zusammenhang entwickeln wir mechanistische Modellierungsansätze für mikrobielle Gemeinschaften. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl die Generierung von Hypothesen bezüglich möglicher Wirkzusammenhänge zwischen Mikrobiom und Wirt im Kontext ausgewählter Krankheiten, als auch die Entwicklung von Interventionsstrategien, die gezielte Änderungen im Mikrobiom ermöglichen. In Computersimulationen können gezielt einzelne Faktoren verändert werden, um deren Einfluss auf die Gesamtdynamik abzuschätzen. So zeigt sich zum Beispiel, dass der Austausch von Stoffwechselprodukten zwischen verschiedenen mikrobiellen Spezies eine verlängerte Wachstumsphase ermöglicht (Abb. 1). Als Datengrundlage für diese Arbeiten bauen wir ein Sequenzierlabor auf, das es uns ermöglichen wird, die Zusammensetzung, das funktionale Potential und die Aktivität von Mikrobiomen mittels Methoden der Next-Generation-Sequenzierung zu erfassen.

Abbildung 1: Der simulierte Verdau eines Nahrungspulses durch ein über 700 mikrobielle Spezies umfassendes Mikrobiom zeigt, dass der Stoffwechselaustausch zwischen Arten eine zweite, langsame Wachstumsphase ermöglicht, die sich der initialen kurzen und raschen Wachstumsphase anschließt (links). Wenn in der Simulation der Austausch von Stoffwechselprodukten zwischen mikrobiellen Arten unterbunden wird, erfolgt nur die initiale, rasche Wachstumsphase (rechts).