Aufbau und Systembiologie funktioneller mikrobieller Landschaften

Mikroorganismen beeinflussen die biologischen Vorgänge nahezu aller erdenklichen Lebensräume der Erde – von den Tiefen der Ozeane bis zum Darminhalt des Menschen. Die mikrobielle Besiedelung solcher Lebensräume erfolgt spontan, unter Bildung von Mikroorganismengemeinschaften, die Tausende unterschiedlicher Arten umfassen können. Doch wie wird die Bildung solcher Populationen gesteuert?

Aus mehreren Arten von Mikroorganismen bestehende Gemeinschaften weisen ein hochdynamisches Verhalten auf. Ihre spontane Bildung kann einerseits schwerwiegende Folgen (z. B. Materialzerstörung, Krankheit) nach sich ziehen. Andererseits können solche spontan entstehenden Populationen auch sehr nützlich sein - beispielsweise in Reaktoren für die Produktion von Biokraftstoffen oder bei der Abfallverarbeitung.

Entstehung mikrobieller Landschaften
Die Grundprinzipien, nach denen sich aus mehreren Arten bestehende Mikroorganismengemeinschaften bilden und organisieren, sind noch immer weitgehend unbekannt und unzureichend erforscht. Dieses fehlende Wissen schränkt uns auch ein, gezielt aus verschiedenen Arten zusammengesetzte Gemeinschaften zusammenzustellen, um ihre Funktionen zu nutzen – im Vergleich zum Umgang mit einzelnen Mikroorganismenarten eine äusserst komplexer Aufgabe.
Im Rahmen dieses Projekts soll daher in erster Linie untersucht werden, wie Mikroorganismengemeinschaften aus mehreren Arten entstehen, um quantitativ-prädiktive Modelle für ihre Bildung und ihr Verhalten unter kontrollierten Bedingungen zu entwickeln.

Vorhersage dynamischer Mikroorganismengemeinschaften
Zunächst werden wir einfache Artengemeinschaften untersuchen. Dabei gehen wir der Frage nach, wie sich die Populationen in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen, den beteiligten Arten selbst und ihren Wechselwirkungen entwickeln. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden wir mathematische Modelle und rechnergestützte Hilfsmittel entwickeln, mit denen sich der dynamische Aufbau von Mikroorganismengemeinschaften auf Oberflächen, und damit die Bildung von eigentlichen „mikrobiellen Landschaften“ bzw. „Microscapes“ (abgeleitet aus dem Englischen „microbial landscapes“), vorhersagen lässt. Diese Hypothesen werden dann experimentell überprüft.
Abschliessend wollen wir untersuchen, ob sich die gewonnenen Ergebnisse auch zur Vorhersagen über „spontane“ Bildung von Biofilmen auf der Hautoberfläche nach Brandverletztungen heranziehen lassen. Ferner werden wir „gestörte“ Mikroorganismengesellschaften in Böden mit hoher Schadstoffbelastung untersuchen und versuchen, sich selbst organisierende Mikroben in diesen einzuführen, um so verseuchte Gebiete sanieren zu können.

Stand: Juli 2014