Studie stellt populäre Vorhersageregel in Frage

Mikrobielle Gemeinschaften werden von Biotechnologielieferanten häufig für Prozesse wie die Herstellung von Biokraftstoffen und neuen Nahrungsmitteln oder für ein besseres Pflanzenwachstum genutzt. Um erfolgreiche Gemeinschaften zu schaffen, müssen Wissenschaftler vorhersagen, ob Mikroorganismen zusammenleben und arbeiten können. Eine beliebte Vorhersageregel besagt, dass, wenn ein Mikrobenpaar koexistiert, es auch in einer größeren Mikrobengemeinschaft koexistieren wird. Eine Studie veröffentlicht in Wissenschaft hat nun festgestellt, dass diese einfache Regel nicht immer funktionieren wird.

Ebenso wie Pflanzen und Tiere leben Mikroorganismen in komplexen ökologischen Gemeinschaften, die aus mehreren Arten bestehen, die miteinander koexistieren. Diese Gemeinschaften gibt es auf der ganzen Welt und sie spielen auch in der Biotechnologie eine wachsende und vielversprechende Rolle. Mikrobielle Gemeinschaften werden entwickelt, um in Bioraffinerien Biokraftstoffe und andere lebenswichtige Produkte herzustellen, neue Nahrungsmittel zu schaffen oder Pflanzen zu einem besseren Wachstum zu verhelfen. Daher ist es ein Hauptziel der Biotechnologie, zu lernen, wie man diese Gemeinschaften so gestalten kann, dass sie die von ihnen bereitgestellten Dienstleistungen verbessern.

Eines der größten Hindernisse für die Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften besteht darin, dass nicht alle Mikroorganismen miteinander koexistieren können. Selbst wenn es uns gelingt, eine mikrobielle Gemeinschaft mit hohem Potenzial zu schaffen, ist es sehr wahrscheinlich, dass viele ihrer Mitglieder aussterben. Aus diesem Grund versuchen Wissenschaftler, Wege zu finden, um vorherzusagen, ob Arten miteinander koexistieren werden.

Eine einfache Regel

Forscher der University of Pennsylvania, des Centro Nacional de Biotecnología des spanischen Nationalen Forschungsrats, der Technischen Universität Delft und der Yale University untersuchten, wie sich die Koexistenz von Bakterien in komplexen Gemeinschaften vorhersagen lässt.

In ihrer Arbeit haben die Autoren eine populäre Hypothese untersucht: Damit mehrere Arten (z. B. A, B und C) als Gemeinschaft koexistieren können, muss jedes Artenpaar auch als isoliertes Paar koexistieren, z. B. muss A mit B koexistieren, B muss mit C koexistieren und C muss mit A koexistieren. Diese Hypothese hat in den letzten Jahren an Boden gewonnen und ist sehr verlockend, denn wenn sie allgemein richtig wäre, würde sie eine einfache und praktische Möglichkeit zur Vorhersage der Koexistenz bieten Existenz in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften.

Um diese Hypothese zu testen, beschlossen die Autoren, zwölf verschiedene mikrobielle Gemeinschaften zu zerlegen, die zwischen drei und zehn Arten umfassen, die nebeneinander existieren. Anschließend verglichen sie jedes mögliche Paar von Mikroorganismen und stellten fest, dass entgegen der obigen Hypothese die meisten Paare nicht koexistierten. Mit anderen Worten: Die einfache Regel zur Vorhersage der Koexistenz wird nicht immer funktionieren, was darauf hindeutet, dass bei der Koexistenz das Ganze oft mehr ist als die Summe seiner Teile.

Neue Vorhersagetools

In der Arbeit des Teams wird betont, dass das wichtige Problem der Vorhersage, welche Mikroben zusammenleben können, noch nicht gelöst ist, und es wird die Notwendigkeit hervorgehoben, neue Vorhersagetools zu entwickeln. Obwohl dies als schlechte Nachricht angesehen werden kann, stellt es tatsächlich einen großen Fortschritt dar, da es zeigt, dass in mikrobiellen Gemeinschaften das Ganze viel mehr ist als die Summe seiner Teile. Dies wird uns dabei helfen, neue Modelle zu entwickeln, die uns letztendlich dabei helfen können, mikrobielle Gemeinschaften zu entwickeln.

„Wir versuchen, die erstaunliche Vielfalt zu verstehen, die wir in Bakteriengemeinschaften sehen“, sagt Djordje Bajić, Assistenzprofessor für Industrielle Mikrobiologie. „Wie können so viele Arten innerhalb derselben Gemeinschaft koexistieren?“

Zu verstehen, wie Bakterien koexistieren, ist wichtig für ein besseres Verständnis unserer Welt, da mikrobielle Gemeinschaften fast jede Oberfläche unseres Planeten besiedeln, erklärt Bajić: „Sie spielen eine Rolle im globalen Elementkreislauf und sind für die Gesundheit unseres eigenen Darmmikrobioms von wesentlicher Bedeutung. Diese Studie wird sich definitiv auf unser Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaften und des Mikrobioms auswirken. Und sie wird auch die Entwicklung von Modellen und Technologien beeinflussen, um Mikrobiome zu entwerfen und bestehende Mikrobiome in gewünschte Zustände in vielen Anwendungen zu lenken: zum Beispiel in der Gesundheit, Abwasserbehandlung, Produktion nachhaltiger Produkte.“ Biopestizide und Biodünger auf Mikrobenbasis.“

Sie können sich diese Studie so vorstellen, als wären Sie auf einer Party, auf der Sie viele Menschen mögen, aber viele andere nicht. Die etablierte Idee ist, dass man jeden auf der Party mögen muss, um eine gute Zeit zu haben. Das muss natürlich nicht so sein. Möglicherweise ignorieren Sie die Personen, die Sie nicht mögen, einfach und verbringen die Nacht damit, mit anderen Menschen zu reden. Sie können sogar an Diskussionen mit Menschen teilnehmen, die Sie weniger mögen, und trotzdem eine gute Zeit haben, solange sich auch andere Menschen an diesen Gesprächen beteiligen.