Ökosystem: Bakterielle Hauptakteure demaskiert

22. Juli 2015
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Mittels Genanalysen wurden Bakterien-Schlüsselarten identifiziert, die in Ökosystemen eine zentrale Rolle spielen. Dieses Wissen könnte helfen, bei Krankheiten mit gestörten Mikroben-Gesellschaften durch gezielte Unterstützung der Schlüsselarten einen positiven Effekt zu erzielen.

Bisher war es für Forscher schwierig, die Abhängigkeiten zu analysieren, denen Bakterien in einem komplexen Ökosystem wie dem Darm oder eben einer biologischen Kläranlage unterworfen sind. Zumeist bestimmten sie die Organismenzahl solcher Arten, die unter wechselnden Umweltbedingungen gemeinsam auftreten. Eine ähnliche Dichte der Bakterien galt als ein Hinweis auf starke gegenseitige Wechselwirkung. Wissenschaftlern vom Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) und der Life Science Research Unit (LSRU) der Universität Luxemburg ist es jetzt gelungen, auf der Basis umfassender Daten zu Bakteriengenetik und Bakterienstoffwechsel die Schlüsselarten solcher Ökosysteme zu bestimmen.

Genetische und stoffliche Netzwerke – digital rekonstruiert

„Mit dem Aufkommen der neuen Omics-Technologien wie Genomics, Transcriptomics oder Proteomics haben sich völlig neue Möglichkeiten ergeben, Ökosysteme zu erforschen“, sagt Paul Wilmes, Wissenschaftler des LCSB. „Nach Hochdurchsatzanalysen, in denen wir sehr große Datenmengen erfassen, können wir jetzt am Rechner die genetischen und stofflichen Netzwerke rekonstruieren. Mit ihnen lässt sich aufklären, wie sich die Lebewesen gegenseitig beeinflussen. In unserer Studie war uns vor allem wichtig, spezifische Schlüsselgene zu identifizieren, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel der mikrobiellen Gemeinschaften spielen. Diese Gene konnten wir dann bestimmten Schlüsselarten zuordnen.“

Dafür haben Wilmes und sein Team zu unterschiedlichen Jahreszeiten Proben aus Klärbecken entnommen. Anschließend bestimmten sie die Gesamtheit aller Gene, analysierten, welche Gene abgelesen werden, und verschafften sich einen Überblick über die daraus resultierenden Proteine. „Mit dieser Kombination aus Metagenomics, Metatranscriptomics und Metaproteomics konnten wir rechnergestützt das Stoffwechsel-Netzwerk der gesamten Lebensgemeinschaft rekonstruieren“, sagt Dr. Anna Heintz-Buschart, Erstautorin der Studie. „Es verrät uns, welche Stoffe von der Lebensgemeinschaft grundsätzlich produziert werden können, welche Gene in mehreren Kopien in verschiedenen Bakterienarten vorkommen und in welchen Mengen bestimmte Proteine gebildet werden.“

Was bedeutet das für die Medizin?

Mit diesem Wissen haben die Forscher dann die Schlüsselarten identifiziert: „Sie erfüllen eine essentielle Funktion im Ökosystem“, erläutert Wilmes. „Viele andere Arten sind auf ihre Stoffwechselprodukte angewiesen. Wenn sie ausfallen, hat das dramatische Folgen für das ganze Ökosystem. Unterstützt man aber die Schlüsselarten, stabilisiert sich die Lebensgemeinschaft.“

Die medizinische Bedeutung der neuen Erkenntnisse erläutert Prof. Dr. Rudi Balling: „Wir nehmen an, dass Krankheiten, wie etwa Parkinson, eine Ursache darin haben könnten, dass die Zusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften im menschlichen Körper gestört ist. Mit dem Wissen über die Schlüsselarten können wir die molekularen Ursachen in Zukunft genauer unter die Lupe nehmen und Maßnahmen erforschen, um das ökologische Gleichgewicht beispielsweise im Darm wieder herzustellen.“

Originalpublikation:

Comparative integrated omics: identification of key functionalities in microbial community-wide metabolic networks
Anna Heintz-Buschart et al.; npj Biofilms and Microbiomes, doi:10.1038/npjbiofilms.2015; 2015

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