Systembiologie des Mikrobioms

Die Entwicklung neuer Sequenziertechniken (das sogenannte „Next Generation Sequencing“) ermöglicht es, pro Durchlauf Tausende bis Millionen Basenpaare zu kostengünstigen Preisen zu entschlüsseln und hat so zu einer Revolution auf dem Gebiet der medizinischen Mikrobiologie geführt. Wissenschaftler können dadurch in tiefere Schichten der mikrobiellen Gemeinschaften vordringen und analysieren: „Welche Organismen kommen vor?” und „Was tun diese?”. Außerdem entwickeln sie Modelle, die das Zusammenspiel von Wirtsorganismen, kommensalen Mikroorganismen und Krankheiten beschreiben. Da die statistischen Werkzeuge und Methoden immer schneller werden und sich weiter auf komplexe mikrobielle Gemeinschaften spezialisieren, ist zu erwarten, dass durch Metagenomik bald eine vollständige Charakterisierung der Gemeinschaften möglich sein wird. Somit kann der Fokus dann von einer rein beschreibenden auf eine mechanistische Modellierung des Wirt-Mikrobiom-Interaktom verlegt werden.

Die vorrangigen Ziele der Forschungsgruppe SBI sind: (i) die Erzeugung von räumlich und zeitlich aufgelösten Landkarten der mikrobiellen Welt im Menschen, sowie in der urbanen und natürlichen Umgebung, (ii) die Erstellung eines Fahrplans um aufzuschlüsseln, wie Mikroorganismen sich zwischen verschiedenen Körperteilen und zwischen den unterschiedlichen Umgebungen, in denen wir uns jeden Tag bewegen, und (iii) die Nutzung dieser Erkenntnisse, um die Zunahme von Krankheiten in den urbanisierten Teilen der Welt zu erklären.

Infektionen

Neue Sequenzierungstechnologien haben im Laufe des letzten Jahrzehnts enorme Fortschritte in der mikrobiellen Ökologie ermöglicht. Diese Innovationen in der DNA-Sequenzierung haben einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis von krankheitsauslösenden Prozessen verursacht und führten zur Schaffung eines neuen Begriffs: das „Pathobiom“. Das Konzept des Pathobioms schreibt der mikrobiellen Gemeinschaft, innerhalb derer der Krankheitserreger existiert, einen deutlichen Einfluss auf die Langlebigkeit, Übertragbarkeit und Evolution des Pathogens zu. Daher ist es unerlässlich, systembiologische Konzepte und Ansätze anzuweden, um Arten zu identifizieren, die zum Überleben, Aussterben oder zur Verbreitung des Pathogens beitragen – sei es als Partner oder als Antagonist.

Um die mikrobiellen Wechselwirkungen, die zum Ausbruch einer Krankheit führen, genau aufzuklären, sollten wir keinesfalls nur statistische Zusammenhänge identifizieren. Es wird nötig sein, weiterzugehen und die Entwicklung von rechnerischen Modellen voranzutreiben, die die räumliche und zeitliche Dynamik der Interaktion zwischen dem Erreger und seiner belebten Umwelt beschreiben. Da die derzeit durchgeführten Untersuchungen sich auf einzelne –omics-Technologien oder unzureichende Kombination von metagenomischen, metatranskriptomischen und meta-metabolomischen Daten beschränken, ist unser Verständnis und die gründliche Untersuchung der biotischen und abiotischen Faktoren, die das Pathobiom stören, eingeschränkt. Die Entwicklung einer multi-meta-omics Systembiologie würde uns mit Sicherheit erlauben, Aspekte zu untersuchen, die bislang vernachlässigt wurden, wie beispielsweise die Wachstumsdynamik und Aktivität der Mikroorgansimen. Somit könnten Vorhersagemodelle auf Systemebene für die Pathobiom-Forschung erstellt werden.

Um die Schlagkraft unserer Ansätze zu demonstrieren, wenden wir systembiologische Analysen und Modellierungen an, um den Beitrag der belebten Umwelt auf das Wachstum und die Verbreitung von Candida albicans zu untersuchen.