Experte: „Das neue Zeitalter der Mikrobiologie ist in hohem Maße datengetrieben“

Der Informatiker A. Murat Eren, alias Meren, ist überzeugt, dass die Mikrobiologie zur Lösung vieler globaler Herausforderungen beitragen kann. Im Interview spricht er über die erstaunlichen Fortschritte, die die Disziplin in den letzten Jahrzehnten gemacht hat.

Mikroben haben einen schlechten Ruf. Sie gelten als unhygienisch und als Hauptursache von Krankheiten. Ist ihr Image als Bande von Übeltätern gerechtfertigt?

Nein, ganz und gar nicht. Tatsächlich sind sie die Architekten des Lebens: Mikroben produzieren einen Großteil des Sauerstoffs, den wir atmen, helfen Pflanzen beim Wachsen, synthetisieren für uns chemische Verbindungen, die wir nicht selbst herstellen können, und bauen sie dann ab, um diese begrenzten Ressourcen wieder in den Kreislauf des Lebens zu bringen und zu verhindern, dass unsere Ökosysteme auseinanderfallen – trotz all unserer Bemühungen. Man könnte sie die Wächter der planetaren Gesundheit nennen.

Sie haben vor kurzem eine Übersichtsartikel für die Zeitschrift Zelledas mit der aktuellen Ausgabe sein 50-jähriges Jubiläum feiert. Wie hat sich unser Blick auf mikrobielle Gemeinschaften in den letzten Jahrzehnten verändert?

Dank des technologischen Fortschritts konnte die Mikrobiologie ihren Fokus von einzelnen Organismen in Kulturen auf komplexe Mikrobengemeinschaften in natürlichen Lebensräumen ausweiten. Dies hat eine einst unvorstellbare Vielfalt und Dynamik offenbart. Diese Gemeinschaften besiedeln alle Ökosysteme der Erde, von marinen und terrestrischen Systemen bis hin zu lebenden Wirten.

In dem Artikel, den ich gemeinsam mit meiner Kollegin Jillian Banfield von der University of California in Berkeley verfasst habe, wird argumentiert, dass sich das Gebiet der Mikrobiologie zu einem der wichtigsten Wissenschaftszweige entwickelt. Das neue Zeitalter der Mikrobiologie hat bereits gezeigt, dass Mikroben unsere beste Chance sind, unsere dringendsten Probleme durch Fortschritte in der Biotechnologie und Biomedizin zu lösen.

Welchen Beitrag kann die Mikrobiologie zur Lösung großer Probleme leisten?

Es gibt einige Dinge, die man sich wirklich leisten kann. So haben uns beispielsweise neuere Arbeiten, die sich auf Umweltmikroben und ihr genetisches Repertoire konzentrieren, Enzyme beschert, mit deren Hilfe wir menschliche oder pflanzliche Genome effektiv „bearbeiten“ können, um die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen oder genetische Störungen zu lindern. Außerdem haben wir neue und wirksamere Antibiotika und Antimykotika entwickelt und Mittel, um Plastik abzubauen. Es gibt jedoch noch mehr zu entdecken.

Um das wahre genetische Potenzial der Mikroben, die unseren Planeten beherrschen, freizusetzen, müssen wir unsere Denkweise ändern und uns nicht mehr auf bewährte Bildungsmethoden, sondern auf die Wissenschaftsförderung konzentrieren. In unserem Bericht betonen wir beispielsweise, dass es notwendig ist, die neuen, datengesteuerten Methoden der Mikrobiologie auf ganze Ökosysteme anzuwenden, die Komplexität der Natur zu berücksichtigen und für unerwartete Entdeckungen offen zu sein.

Erst dann können wir uns den wichtigsten Fragen widmen, wie etwa: Wie speichern wir mehr Kohlenstoff im Boden? Wie reduzieren wir den Methanausstoß von Reisfeldern oder Rindern? Wie können wir den Abbau von Plastik in den Ozeanen beschleunigen, die Versalzung landwirtschaftlicher Böden verringern und den Untergrund der Erde zur Speicherung von Kohlendioxid nutzen?

Bei Fragen dieser Größenordnung kann die Nutzung natürlicher Ereignisse mehr zu unserem Verständnis beitragen als kontrollierte Experimente im kleinen Maßstab. Wie wir in unserer Rezension erwähnen, gibt es manchmal Gründe, die Natur das Experiment durchführen zu lassen.

Was kennzeichnet die neue Ära der Mikrobiologie?

Unsere Wissenschaft ist heute stark datengetrieben. Um die Komplexität natürlicher Ökosysteme zu verstehen, brauchen wir interdisziplinäre Ansätze. Ich selbst bin beispielsweise Informatiker und untersuche die Ökologie und Evolution von Mikroben mit bioinformatischen Methoden.

Die zunehmende interdisziplinäre Arbeit in der Mikrobiologie und die Orchestrierung der immer größer werdenden Zahl neuer molekularer und analytischer Werkzeuge haben uns geholfen, unser Verständnis der Vielfalt des Lebens drastisch zu erweitern, was uns dazu zwingt, unsere Bescheidenheit zu überdenken, wenn wir über unseren Platz auf diesem Planeten nachdenken. Der Zustrom von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz hat uns geholfen, die dreidimensionale Struktur von Proteinen vorherzusagen, was wiederum nicht nur Licht auf evolutionäre Prozesse wirft, die Proteine ​​formen, sondern auch die Entwicklung neuer Medikamente und biotechnologischer Werkzeuge erleichtert.

Insgesamt kann man mit Sicherheit sagen, dass die moderne Mikrobiologie ein Bereich ist, in dem Menschen mit den unterschiedlichsten Hintergründen – von Molekularbiologen, Informatikern, Ökologen, Modellierern bis hin zu Chemikern, Physikern und anderen – zusammenkommen und immer leistungsfähigere Mittel anwenden, um mikrobielles Leben in komplexen natürlichen Lebensräumen zu untersuchen und zu studieren, um Antworten auf die drängendsten Fragen des 21. Jahrhunderts zu finden. Die neue Ära der Mikrobiologie hängt von der Vielfalt ihrer Menschen und Werkzeuge ab, um Licht in die unvorstellbare Vielfalt der Mikroben zu bringen.

Was waren für Sie in letzter Zeit die aufregendsten Entdeckungen?

Besonders interessant finde ich, wie schnell sich unsere Sicht auf Viren geändert hat. Viren haben im Stammbaum des Lebens nichts zu suchen, aber aufgrund ihrer astronomischen Anzahl und großen Komplexität, die wir heute erkennen, stellen Viren eine Naturgewalt dar, die von Anfang an in alle Aspekte des Lebens verwickelt ist.

Gemeinsam programmieren Viren bei einer Infektion den Stoffwechsel ihrer Wirte um, beeinflussen wichtige ökologische Prozesse, indem sie Kolonisierung und Konkurrenz verhindern oder fördern, beschleunigen die Evolution, indem sie Genome aus allen Lebensbereichen manipulieren, und verändern in manchen Fällen sogar das Fortpflanzungsverhalten von Tieren. Sie zwingen uns, darüber nachzudenken, was ein Lebewesen ist.

Und erst vor etwa 30 Jahren wurden Riesenviren entdeckt, deren Genome größer waren als die mancher Bakterien. Inzwischen hat sich herausgestellt, dass diese Viren überall vorkommen und fast so etwas wie einen Stoffwechsel haben. Die Erforschung von Viren floriert in der Mikrobiologie, und dafür gibt es einen guten Grund.

Gibt es andere biologische Strukturen, die nicht im Baum des Lebens enthalten sind?

Ja, zum Beispiel Plasmide. Sie stellen einen weiteren spannenden Zweig der Mikrobiologie dar. Plasmide sind genetische Elemente, die außerhalb der Chromosomen liegen. Sie tragen zusätzliche Gene und können zwischen verschiedenen Bakterienzellen und sogar zwischen verschiedenen Bakterienarten ausgetauscht werden. Ihre Replikation ist von ihren Wirtszellen abhängig.

Sie gleichen dies jedoch dadurch aus, dass sie ihren Wirten in manchen Fällen äußerst wichtige Fitnessfaktoren liefern – zum Beispiel Gene für Antibiotikaresistenz. Die Vielfalt der Plasmide in den natürlichen Lebensräumen ist jedoch noch immer wenig erforscht.

Es gibt auch andere genetische Elemente, die außerhalb der Chromosomen liegen. Eine Gruppe solcher Elemente, die im letzten Jahr entdeckt wurde, heißt „Borgs“, nach einer Spezies aus der Star Trek-Serie. Andere virusähnliche Elemente, deren Verwandtschaft zu anderen Organismen noch völlig unklar ist, wurden erst in diesem Jahr entdeckt. Wegen ihrer zylindrischen Form nennt man sie „Obelisken“. Das eröffnet völlig neue Welten, und der Mikrobiologe von heute fühlt sich wie ein Kind im Süßwarenladen.