Bioinformatiker präsentiert die erste Karte des Mikroversums

Was definiert den Lebensraum – die ökologische Nische – eines Mikroorganismus? Es ist eine Kombination von Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Nährstoffgehalt. Der genaue Beitrag jedes dieser Faktoren ist jedoch schwer vorherzusagen. Ein deutsch-niederländisches Forscherteam hat mikrobielle Nischen neu definiert, indem es herausgefunden hat, welche Mikroorganismen zusammenleben. Unter Leitung von Prof. Dr. Bas E. Dutilh von der Universität Jena und der Universität Utrecht stellen die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Journals diesen Ansatz der „sozialen Nischenbreite“ vor Naturökologie & Evolution und verwenden Sie es, um die erste „Karte des Mikroversums“ zu zeichnen.

Ob in heißen Quellen, im menschlichen Darm oder in der Tiefsee – Mikroorganismen besiedeln fast jeden Ort der Erde, teilweise unter extremen Bedingungen. Je nachdem, wie sich diese Organismen an die besonderen Umweltbedingungen in solchen ökologischen Nischen angepasst haben, klassifizieren Ökologen sie als „Generalisten“ oder „Spezialisten“. Während Generalisten mit unterschiedlichsten Umweltbedingungen zurechtkommen, wachsen Spezialisten nur unter ganz bestimmten Bedingungen heran.

„Eine Schlüsselfrage für die Untersuchung solch unterschiedlicher mikrobieller Strategien ist, wie man mikrobiologische ökologische Nischen überhaupt definiert“, sagt Prof. Dr. Bas E. Dutilh. Bisher erfolgt dies hauptsächlich anhand subjektiver Umweltparameter, die eine unverfälschte Quantifizierung der Nische kaum zulassen.

Der Bioinformatiker vom Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“ der Universität Jena hat daher gemeinsam mit Forschern der Universität Utrecht eine neuartige – datengetriebene – Methode zur Beschreibung mikrobieller Nischen eingesetzt, bei der die Artengemeinschaft selbst betrachtet wird der entscheidende Umweltfaktor anstelle äußerer Lebensraumbedingungen. Das funktioniert, weil sich mikrobielle Gemeinschaften schnell an ihre Umgebung anpassen, ihre Zusammensetzung also die Summe aller Umweltfaktoren widerspiegelt.

Die meisten mikrobiellen Lebensräume werden von Generalisten dominiert

Für ihre Studie analysierten und quantifizierten die Forscher Tausende von metagenomischen Datensätzen aus verschiedenen mikrobiellen Proben aus der ganzen Welt. „Wir haben festgestellt, dass in den meisten Lebensräumen Generalisten dominieren“, sagt Dutilh. Die Forscher waren von diesem Befund zunächst überrascht, da sie davon ausgegangen waren, dass sich in lokalen Nischen Spezialisten durchsetzen könnten, weil sie besser an die jeweiligen Bedingungen angepasst sind. Aber sie fanden heraus, dass konkurrierende Generalisten viel schneller wachsen und so die Dominanz in der Nische gewinnen konnten.

„Für die Generalisten ist es jedoch ein Glücksfall; entweder sie schaffen es oder sie schaffen es nicht. Das macht sie in ihrer Präsenz ziemlich variabel. Spezialisten sind stabiler in ihrer Nische, wenn auch in geringer Häufigkeit.“

Und es gab ein weiteres Ergebnis, mit dem die Forscher nicht gerechnet hatten: Die Genome der Generalisten sind nicht besonders groß. „Dies wurde bisher angenommen, weil man dachte, dass metabolische Flexibilität generell ein größeres Genom erfordert“, berichtet Dutilh. Aber wie sich herausstellt, ist die Korrelation zwischen Nischenbereich und Genomgröße komplexer.

„Wir haben zwei gegensätzliche evolutionäre Strategien entdeckt: In Lebensräumen mit relativ geringer lokaler Biodiversität, wie z.

Die Genome von Generalisten sind variabler als die von Spezialisten, da Gene im Laufe der Evolution kommen und gehen. Dadurch können sie genetische Informationen anderer Organismen durch horizontalen Gentransfer integrieren und sich so schnell an die lokale Nische anpassen. „Auch im Genom von Generalisten sehen wir spezifische Funktionen, die mit dem horizontalen Gentransfer verbunden sind“, so Dutilh.

Die mit Spezialisten verbundenen Funktionen sind viel vielfältiger und oft mit ganz bestimmten Stoffwechselvorgängen verbunden. Die Genome von Spezialisten sind im Gegensatz zu denen von Generalisten evolutionär stabil.

„Zusammenfassend wirft unsere Analyse ein neues und unerwartetes Licht auf mikrobielle Nischenreichweitenstrategien im gesamten mikrobiellen Lebensbaum“, ist Bas E. Dutilh überzeugt.