Wie können Computermodelle helfen, mikrobielle Gemeinschaften zu entwerfen? Ein Forscherteam aus Aachen, Düsseldorf und East Lansing/USA untersuchte die Entwicklungsperspektiven der sogenannten synthetischen Biologie. In einem Artikel veröffentlicht in der Zeitschrift Synthetische Biologieerklären sie, warum computergestützte Biologie eine wichtige Rolle spielt.
Gemeinschaften von Mikroorganismen – Bakterien, Pilze und Viren – sind überall zu finden. In Organismen erfüllen sie vielfältige Funktionen. So ist die mikrobielle Gemeinschaft im menschlichen Darm, das sogenannte Mikrobiom, für den Stoffwechsel essentiell. Die Mikroorganismen werden benötigt, um viele Nährstoffe aufzuschließen und dem Körper zur Verfügung zu stellen. Ist die Zusammensetzung des Mikrobioms falsch, kann dies erhebliche Schäden für den Gesamtorganismus verursachen.
Auch das interdisziplinäre Forschungsfeld der „Synthetischen Biologie“ widmet sich zunehmend diesen mikrobiellen Netzwerken. Ziel ist es, mithilfe ingenieurwissenschaftlicher Prinzipien neue biologische Systeme und Organismen zu entwerfen und zu konstruieren, die bestimmte Funktionen erfüllen können. Mit gentechnischen Methoden lassen sich DNA und RNA verändern und zwischen verschiedenen Organismen übertragen.
Der Schwerpunkt der synthetischen Biologie lag zunächst auf einzelnen synthetischen Organismen, doch ihr Potenzial für die Gestaltung hochkomplexer Netzwerke wie künstlicher Gemeinschaften (synthetischer) Organismen wird zunehmend offensichtlich.
Solche künstlichen Gemeinschaften bieten eine breite Palette potenzieller Anwendungsbereiche, darunter die Eindämmung von Krankheiten, die Steigerung der Ernteerträge oder die Produktion wertvoller Biomoleküle.
Inspiriert wurden die Forscherinnen und Forscher des SFB 1535 „MibiNet“ von natürlichen Flechten, in denen phototrophe Cyanobakterien oder Algen eine enge symbiotische Beziehung mit heterotrophen Pilzpartnern eingehen. Die hier manifestierte mikrobielle Vernetzung wollen sie als Beispiel für zukünftige Anwendungen weiterentwickeln.
Die Forschungsergebnisse sollen dazu beitragen, interdisziplinäre Methoden und Technologien für CO2-negative Prozesse zu etablieren, also Verfahren, die der Atmosphäre aktiv CO2 entziehen. In einem weiteren Forschungsprojekt – ACCeSS – soll Sonnenenergie zur Abwasserreinigung genutzt werden.
In dem Fachartikel skizzieren Forscher der RWTH Aachen, der HHU und der Michigan State University (MSU) im amerikanischen East Lansing diese zukünftige Entwicklungsrichtung der synthetischen Biologie. Sie betonen dabei die Rolle der Computerbiologie als integralen Bestandteil, der den Entwurf künstlicher Gemeinschaften deutlich vereinfachen kann.
Professorin Dr. Ilka Axmann von der HHU, korrespondierende Autorin der Studie, sagt: „Wir schlagen einen Perspektivwechsel von einzelorganismuszentrierten Ansätzen hin zur Betonung der funktionalen Beiträge von Organismen innerhalb der Gemeinschaft vor.“
Zum Forschungsansatz ergänzt sie: „Der Fokus liegt auf der Funktion, die die Gemeinschaft als Ganzes erfüllen soll. Dabei ist es unerheblich, welche Organismen sie im Einzelnen enthält: Organismen sind lediglich das Gerüst, das die notwendigen Stoffwechselwege enthält und die erforderlichen funktionellen Rollen erfüllt.“
Dr. Daniel C. Ducat, Professor für Biochemie und Molekularbiologie an der MSU, erklärt: „Immer mehr Beispiele zeigen, dass sich die spezifische Artenzusammensetzung komplexer mikrobieller Gemeinschaften zwar im Laufe der Zeit oder an verschiedenen Orten ändern kann, die spezifischen Funktionen der Gemeinschaft jedoch im größeren Maßstab stabil bleiben.“
Dr. Anna Matuszyńska, Hauptautorin der Studie und Juniorprofessorin für Computational Life Science an der RWTH, sagt: „Computational Biology kann dazu beitragen, die Modularisierung in der synthetischen Biologie zu unterstützen. Das ist wünschenswert, da es die Komplexität reduzieren und vielseitige, skalierbare Frameworks schaffen würde, die auf spezifische Funktionen innerhalb biologischer Gemeinschaften zugeschnitten werden können.“
„Mithilfe mathematischer Modelle können wir solche Systeme vorhersagen und optimieren, um sicherzustellen, dass sie zuverlässig und effizient funktionieren. Ziel ist es, dieses ‚In-silico-Design‘ bereits in den frühesten Phasen der Entwicklung einer synthetischen Gemeinschaft einzusetzen.“
Weitere Informationen:
Anna Matuszyńska et al, Eine neue Ära der synthetischen Biologie – mikrobielles Community-Design, Synthetische Biologie (2024). DOI: 10.1093/synbio/ysae011