Kiel Life Science

Zufall oder Masterplan?

20.06.2019

- Gemeinsame Pressemitteilung der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
und des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie Plön -


SFB 1182-Forschungsteam schlägt Zufallsmodell zur Erklärung der Artenzusammensetzung des Mikrobioms vor

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 Wissenschaftlerinnen und 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Kiel und Plön gestern 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.

Originalarbeit:
Michael Sieber, Lucía Pita, Nancy Weiland-Bräuer, Philipp Dirksen, Jun Wang, Benedikt Mortzfeld, Sören Franzenburg, Ruth A. Schmitz, John F. Baines, Sebastian Fraune, Ute Hentschel, Hinrich Schulenburg, Thomas C. G. Bosch, Arne Traulsen (2019): Neutrality in the Metaorganism. PLOS Biology Published on 19 June 2019 DOI: 10.1371/journal.pbio.3000298

Fotos stehen zum Download bereit:
https://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2019/199-sieber-plos-researchers.jpg
Bildunterschrift: Dr. Michael Sieber (links) und Prof. Arne Traulsen vom Plöner Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie entwickelten gemeinsam mit Forschenden des Kieler SFB 1182 das Modell des neutralen Metaorganismus.
© Christian Urban, Uni Kiel

https://www.uni-kiel.de/fileadmin/user_upload/pressemitteilungen/2019/199-sieber-plos-modelorganisms.jpg
Bildunterschrift: Das neutrale Modell haben die Forschenden auf mehrere im SFB 1182 untersuchte Modellorganismen wie zum Beispiel Fadenwürmer oder Hausmäuse angewendet. © Science Communication Lab

Kontakt:
Dr. Michael Sieber
Abteilung für Evolutionstheorie
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: 04522 763-579
E-Mail: sieber@evolbio.mpg.de   

Prof. Arne Traulsen
Abteilung für Evolutionstheorie
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön
Tel.: 04522 763-239
E-Mail: traulsen@evolbio.mpg.de

Prof. Thomas Bosch
Zoologisches Institut, CAU Kiel
Tel.: 0431-880-4170
E-Mail: tbosch@zoologie.uni-kiel.de

Pressekontakt:
Christian Urban
Wissenschaftskommunikation „Kiel Life Science"   
Tel.: 0431-880-1974
E-Mail: curban@uv.uni-kiel.de

Weitere Informationen:
Sonderforschungsbereich 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“, CAU Kiel:
www.metaorganism-research.com

Abteilung für Evolutionstheorie,
Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön:
http://web.evolbio.mpg.de/~traulsen/#home

AG Bosch, CAU Kiel:
http://www.bosch.zoologie.uni-kiel.de

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