28.06.2019

Zufallsmodell zur Erklärung der Artenzusammensetzung des Mikrobioms



Alle Lebewesen - von den einfachsten tierischen und pflanzlichen Organismen bis hin zum menschlichen Körper - leben in engstem Austausch mit einer riesigen Fülle von mikrobiellen Symbionten, die sich auf und in ihren Geweben ansiedeln.

Die funktionelle Zusammenarbeit von Wirt und Mikroorganismen, die Wissenschaftler als einen Metaorganismus bezeichnen, ist erst seit Kurzem in den Mittelpunkt der lebenswissenschaftlichen Forschung gerückt. Heute ist klar, dass man viele Lebensprozesse nur im Zusammenhang der Wechselwirkungen von Organismus und Symbionten verstehen kann.

Der Kieler Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 "Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen" an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) verfolgt das Ziel, die Kommunikation und die funktionellen Konsequenzen der Wirts-Mikroben-Beziehungen zu verstehen.

Neben der Untersuchung dieser Wechselwirkungen ist eine zentrale Frage für die Forschenden des SFB 1182, wie die Zusammensetzung des Mikrobioms eines Lebewesens, also die Gesamtheit seiner mikrobiellen Symbionten, während der individuellen Entwicklung zustande kommt.

Unklar ist dabei, ob die mikrobielle Gemeinschaft einem funktionellen Auswahlprozess unterliegt oder ob sich eine zufällige Artenzusammensetzung ansiedelt. Um das Zustandekommen der Mikrobiomzusammensetzung zu untersuchen, hat ein Forschungsteam des CAU-Sonderforschungsbereichs 1182 und des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön (MPI-EB) nun die Theorie des sogenannten "neutralen Metaorganismus" auf ein ganzes Spektrum von Modellorganismen, von sehr einfachen Lebewesen bis hin zu komplexen Wirbeltieren, angewendet. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler aus Kiel und Plön in der Fachzeitschrift PLOS Biology.

Das Null-Modell der Evolutionstheorie

Eine Möglichkeit, die hochkomplexe individuelle Mikrobiom-Zusammensetzung handhabbar zu machen, bieten theoretische Modelle. Ein grundlegendes Modell in der Evolutionsforschung ist das sogenannte neutrale Null-Modell. Es wird genutzt, um vorherzusagen, wie sich Populationen völlig ohne Selektionsdruck entwickeln würden. Das Forschungsteam des SFB 1182 hat dieses Modell nun erstmals auf mehrere Modellorganismen vom Fadenwurm bis hin zur Hausmaus angewendet und die Vorhersage mit experimentell gewonnenen Daten verglichen.

"Theorie und experimentelle Daten passen bei vielen Organismen überraschend gut zusammen. Die vorhergesagte Zusammensetzung findet sich also zum Beispiel bei der Hausmaus auch in der tatsächlichen mikrobiellen Artengemeinschaft wieder", fasst Dr. Michael Sieber, wissenschaftlicher Mitarbeiter am MPI-EB und SFB 1182-Mitglied, zusammen. "Möglicherweise spielt Selektion bei der Zusammensetzung des Mikrobioms also eine geringere Rolle als bisher angenommen", so Sieber weiter.

Eine Landkarte zur weiteren Erforschung des Mikrobioms

Neben der allgemein guten Übereinstimmung von neutralem Modell und realer Zusammensetzung des Mikrobioms verzeichneten die Forschenden allerdings auch deutliche Abweichungen: So stimmen zum Beispiel einzelne Bakterien im Maus-Mikrobiom nicht mit der neutralen Vorhersage überein. Auch die mikrobielle Artenzusammensetzung im Fadenwurm Caenorhabditis elegans insgesamt passt kaum zum neutralen Modell.

"Wir nehmen an, dass diese Abweichungen von Modell und Realität Hinweise auf spezifische Funktionen bestimmter Mikroorganismen liefern könnten", unterstreicht Sieber. Die systematischen Abweichungen vom neutralen Modell zu untersuchen, birgt daher das Potenzial, auf Schlüsselfunktionen bestimmter Bakterienarten innerhalb des Mikrobioms zu stoßen.

Erste Erklärungsansätze für Abweichungen vom neutralen Modell werden bereits diskutiert. Einige nicht-neutrale Bakterien des Maus-Mikrobioms sind zum Beispiel funktionell an der Verdauung beteiligt und ihr Vorkommen ist daher möglicherweise Ergebnis eines gezielten Selektionsprozesses. Caenorhabditis elegans mit seinen sehr schnellen Generationswechseln wiederum lebt möglicherweise gar nicht lange genug, um eine stabile, weitgehend neutrale Zusammensetzung seines Mikrobioms auszubilden.

"Das Modell des neutralen Metaorganismus liefert damit hinsichtlich der Artenzusammensetzung und der zeitlichen Entwicklung des Mikrobioms wichtige theoretische Grundlagen für weiterführende funktionelle Analysen im gesamten Spektrum der in unserem Sonderforschungsbereich untersuchten Modellorganismen", fasst SFB 1182-Sprecher Prof. Thomas Bosch die Bedeutung der Arbeit zusammen.

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Quelle: Universität Kiel




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