Abteilung Umweltmikrobiologie

MicroscapesX

In ihrem natürlichen Umfeld existieren Mikroben selten alleine als einzelne Zellen, sondern sie leben meistens in Gemeinschaften, wo sie von Artgenossen und anderen mikrobiellen Spezies umgeben sind. Die räumliche Anordnung bestimmt wie die verschiedenen Zelltypen miteinander interagieren können (z.B. können sie positive oder negative Effekte auf ihre Nachbarn haben) und prägt somit die emergenent Eigenschaften der Gemeinschaft. Das Ziel des Projektes Microscapes besteht darin, die grundlegenden Prozesse welche die räumliche Selbstorganisation bestimmen zu verstehen um deren Auswirkungen auf die Ökosystemfunktion vorhersagen zu können.

Um die grundlegenden Prozesse zu untersuchen verwenden wir synthetische mikrobielle Ökosysteme, in denen wir spezifische Interaktionen zwischen verschiedenen Zelltypen kontrolliert herstellen können. Dies erlaubt uns, die Interaktionen gezielt zu manipulieren und deren Auswirkungen auf die räumliche Selbstorganisation und die emergenten Eigenschaften der Gemeinschaft zu messen. Mit diesem Wissen entwickeln wir schliesslich quantitative Modelle, mit denen wir die Entstehung und Dynamik von mikrobiellen Gemeinschaften vorhersagen können.

Als inhärent interdisziplinäres Projekt beinhaltet Microscapes eine Vielfalt von Disziplinen aus der Biologie wie: Mikrobiologie, Ökologie, Evolution und Systembiologie. Ausserdem verbinden wir die Experimente mit mathematischen Modellen um Vorhersagen machen zu können. Das Projekt ist deshalb eine Zusammenarbeit von Fünf Forschungsgruppen mit verschiedenen Expertisen. Drei Gruppen arbeiten experimentell (Jan Roelof van der Meer, UNIL; Yok Que Ai, CHUV; David R. Johnson, Eawag) während die anderen Zwei auf mathematische Modelle spezialisiert sind (Dani Or, ETHZ; Vassily Hatzimanikatis, EPFL).

Publikationen

Metabolic specialization and the assembly of microbial communities

Metabolic specialization is a general biological principle that shapes the assembly of microbial communities. Individual cell types rarely metabolize a wide range of substrates within their environment. Instead, different cell types often specialize at metabolizing only subsets of the available substrates. What is the advantage of metabolizing subsets of the available substrates rather than all of them? In this perspective piece, we argue that biochemical conflicts between different metabolic processes can promote metabolic specialization and that a better understanding of these conflicts is therefore important for revealing the general principles and rules that govern the assembly of microbial communities. We first discuss three types of biochemical conflicts that could promote metabolic specialization. Next, we demonstrate how knowledge about the consequences of biochemical conflicts can be used to predict whether different metabolic processes are likely to be performed by the same cell type or by different cell types. We then discuss the major challenges in identifying and assessing biochemical conflicts between different metabolic processes and propose several approaches for their measurement. Finally, we argue that a deeper understanding of the biochemical causes of metabolic specialization could serve as a foundation for the field of synthetic ecology, where the objective would be to rationally engineer the assembly of a microbial community to perform a desired biotransformation.
Johnson, D. R.; Goldschmidt, F.; Lilja, E. E.; Ackermann, M. (2012) Metabolic specialization and the assembly of microbial communities, ISME Journal, 6(11), 1985-1991, doi:10.1038/ismej.2012.46, Institutional Repository