OMM¹²-Modell: Werkzeuge und Ressourcen

Eine zentrale Herausforderung in der Darmmikrobiomforschung besteht darin, zu verstehen, wie die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Mikroorganismen die Zusammensetzung, Dynamik und Funktionalität der Gemeinschaft beeinflussen. Gnotobiotische Mäuse, die mit definierten mikrobiellen Gemeinschaften besiedelt sind, sind zu unverzichtbaren Werkzeugen geworden, um diese Frage zu beantworten. Während die meisten Studien Bakterien menschlichen Ursprungs verwenden, haben wir eine Modellgemeinschaft entwickelt, die aus zwölf phylogenetisch unterschiedlichen Bakterien besteht, die aus Mäusen isoliert wurden. Darüber hinaus haben wir einen umfassenden Satz von Protokollen und Analysewerkzeugen entwickelt, mit denen wir diese Gemeinschaft in ihrem natürlichen Mauswirt untersuchen können. Diese Oligo-Maus-Mikrobiota (OMM¹²) ist einzigartig, da sie zentrale physiologische und funktionelle Merkmale eines komplexen Maus-Mikrobioms nachbildet. Darüber hinaus weist die OMM¹² eine langfristige Stabilität in gnotobiotischen Mäusen auf und ihre Zusammensetzung ist in verschiedenen Tierhaltungsanlagen reproduzierbar. Daher wird dieses Modell von einer wachsenden Zahl von Forschungsgruppen weltweit verwendet.

OMM¹² Modell: Ökologie

Eine zentrale Herausforderung in der Mikrobiomforschung besteht darin, die Funktionalität mikrobieller Gemeinschaften auf der Grundlage von Gemeinschaftszugehörigkeit und (Meta-)Genomdaten vorherzusagen. Da zentrale Funktionen der Mikrobiota durch bakterielle Gemeinschaftsnetzwerke bestimmt werden, ist es wichtig, Einblicke in die Prinzipien zu gewinnen, die die Interaktionen zwischen Bakterien regeln. Unser gut charakterisiertes OMM12-Modell wird zunehmend eingesetzt, um verschiedene ökologische Phänomene bakterieller Gemeinschaften aufzudecken. Wir verwenden Bottom-up-Ansätze, um die Richtung der Stamm-Stamm-Interaktionen in Mono- und Paar-Co-Kultur-Experimenten sowie in Gemeinschafts-Batch-Kulturen aufzudecken. Die Rekonstruktion des Stoffwechselnetzwerks in Kombination mit der Metabolomik-Analyse von Bakterienkulturüberständen liefert Einblicke in das Stoffwechselpotenzial und die Aktivität der einzelnen Gemeinschaftsmitglieder. Dadurch konnten wir zeigen, dass das OMM12-Interaktionsnetzwerk sowohl durch Ausbeutungs- als auch durch Interferenzkonkurrenz in vitro in nährstoffreichen Kulturmedien geprägt ist, und zeigen, wie sich die Gemeinschaftsstruktur durch Veränderung der Nährstoffumgebung verschieben lässt.

Wir haben ebenfalls untersucht, wie einzelne Bakterienstämme zur Bildung von Gemeinschaften beitragen, potenzielle Schlüsselarten identifiziert und ihre Auswirkungen in verschiedenen Umgebungen getestet. Durch die Entfernung jeweils einer Art haben wir festgestellt, dass sich die Beziehungen zwischen den Bakterien je nach Region des Mäusedarms und Art des verwendeten Kulturmediums erheblich verändern. Zu den wichtigsten Mechanismen, die hinter den umgebungsspezifischen Schlüsselrollen stehen, gehörten die ausschließliche Verwendung bestimmter Zucker und die Produktion von Bakteriozinen (bakterientötende Verbindungen). Insgesamt zeigt unsere Studie, dass bakterielle Interaktionen stark von lebenden (biotischen) und nicht lebenden (abiotischen) Umweltfaktoren abhängen. Diese Ergebnisse stellen die Vorstellung von universellen Schlüsselarten im Darm in Frage und betonen, dass ihre Rollen und Interaktionen in hohem Maße kontextabhängig sind.

OMM¹²-Modell: Stoffwechselmodellierung

In diesem Projekt verwenden wir Stoffwechselmodellierung, eine mathematische Strategie zur Berechnung von Metabolitenflüssen innerhalb von Zellen, und Metaproteomikdaten, um das Stoffwechselnetzwerk von OMM12 unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen. Metaproteomische Daten geben uns einen direkten Einblick in den aktiven Teil des genomischen Potenzials, das unter verschiedenen Umständen exprimiert wird und die Anpassung von Bakterien an die biotische und abiotische Umgebung widerspiegelt. Mathematische Strategien ermöglichen es uns, Vorhersagen über Metabolitenflüsse zu treffen, die nicht direkt messbar sind. Unser Ziel ist es, kontextspezifische Modelle für OMM¹²-Bakterien unter In-vitro- und In-vivo-Wachstumsbedingungen zu erstellen und diese allgemein zugänglich zu machen.

Im Rahmen von "SPP2474: Aufklärung von Genfunktionen im menschlichen Darmmikrobiom“ Untersuchen wir auch die Mechanismen, die den Schlüssel-Funktionen im Darm zugrunde liegen. Die Darmmikrobiota ist räumlich stark strukturiert, wobei sich Mikroben in verschiedenen Darmregionen, um Nahrungspartikel herum oder innerhalb der Schleimschicht des Wirts ansammeln. Es wird angenommen, dass diese räumliche Organisation durch die Gestaltung mikrobieller Interaktionen unterschiedliche kontextabhängige ökologische Muster verursacht. Um dies zu untersuchen, werden wir das OMM12-Modell mit räumlichen Kultivierungsmethoden und Hochdurchsatz-Metaproteomik- und Metabolomik-Analysen kombinieren. Aus den generierten Daten werden wir unbekannte Genfunktionen aufdecken und die funktionelle Annotation von wenig erforschten bakteriellen Genomen mithilfe von Proteinkovarianzanalysen auf der Grundlage der generierten Daten verbessern.

Definierte Gemeinschaften zur Untersuchung der menschlichen neonatalen Darmmikrobiota: Aufbauend auf unserem Fachwissen wollen wir nun eine synthetische Gemeinschaft schaffen, um die menschliche neonatale Darmmikrobiota (NeoSyn) zu modellieren. Die Mikrobiota spielt eine entscheidende Rolle für verschiedene Aspekte der frühen Entwicklung und Gesundheit. NeoSyn soll das sowohl funktionell als auch taxonomisch hochvariable Darmmikrobiom von Neugeborenen nachahmen. Die Variationen im Darmmikrobiom von Neugeborenen werden durch viele verschiedene Faktoren beeinflusst, wie z. B. die Art der Entbindung, die Art der Ernährung oder die Verwendung von Medikamenten (insbesondere Antibiotika). Mithilfe von MiMiC (Kumar et al. 2021), einem Tool, das die Entwicklung minimaler mikrobieller Konsortien auf der Grundlage des in einer bestimmten metagenomischen Probe identifizierten, funktionellen Potenzials unterstützt, haben wir verschiedene Varianten von NeoSyns entwickelt, um die Mikrobiota von vaginal und per Kaiserschnitt geborenen Säuglingen nachzuahmen. Diese Kernzusammensetzung kann durch zusätzliche Arten ergänzt werden, die für bestimmte Forschungszwecke von Interesse sind.