Mikroorganismen, die vorübergehend „einschlafen“, spielen eine wichtige Rolle für die Evolution und das Überleben einer Population. Der Mathematiker Shubhamoy Nandan untersuchte die Auswirkung dieser Eigenschaft namens „Ruhezustand“ in einem neuartigen mathematischen Modell.
Manche Mikroorganismen verfallen in einen Ruhezustand, wenn sie einer feindseligen oder stressigen Umgebung ausgesetzt sind. Betrachten Sie es als einen tiefen Schlaf oder Winterschlaf. Dies kann bei extremer Kälte passieren oder wenn sie chemischer Verschmutzung ausgesetzt sind und als Überlebensstrategie dienen. Pflanzenpopulationen weisen zeitweise auch eine Ruhephase auf: Samen können aufgrund von Umweltbedingungen tief im Boden vergraben werden und Generationen später „aufwachen“.
Nandan, der seinen Ph.D. abgeschlossen hat. erstellte im Mai 2023 ein mathematisches Modell, das diese Eigenschaft namens „Ruhe“ beschreibt. Es ist ein Thema, bei dem Mathematik auf Biologie trifft.
Welcher genetische Typ wird langfristig überleben?
Nandan untersuchte Populationen von Mikroorganismen in einer Umgebung mit mehreren Kolonien und berechnete, wie sie sich entwickeln, unter Berücksichtigung ihres Ruhezustands. Sein Modell untersucht auch, wie sich die Organismen vermehren und zwischen verschiedenen Kolonien wandern. Aber die Einbeziehung der Ruhephase im Kontext endlicher Populationen macht die Forschung einzigartig.
„Damit können wir quantifizieren, welche der genetischen Typen langfristig überleben werden“, erklärt Nandan. „Wenn zum Beispiel Organismen zweier unterschiedlicher Genotypen in einer Multikolonie-Umgebung koexistieren, wird sich irgendwann einer durchsetzen und der andere aussterben.“ Sein Modell kann die Wahrscheinlichkeit des Schicksals jedes einzelnen von ihnen vorhersagen.
Mikroorganismen halten das Modell mathematisch machbar
Theoretisch könnte es auch auf komplexere Organismen wie Pflanzen und Tiere angewendet werden, aber wenn man mit Mikroorganismen beginnt, bleibt das Modell laut Nandan mathematisch machbar. Darüber hinaus verläuft die Evolution von Mikroorganismen im Vergleich zu komplexeren Organismen viel schneller. Dadurch ist ein Vergleich des mathematischen Modells mit der Praxis möglich.
Um sein Modell zu untermauern, untersuchte Nandan auch Partikel in der Luft und in Flüssigkeiten, die ähnlich wie Mikroorganismen wirken. Auch sie können für eine Weile ruhen. Sie hören auf, sich zu bewegen und miteinander zu interagieren, bevor sie zu ihrem natürlichen „aktiven“ Verhalten zurückkehren. „Dies ist ein relativ neues Gebiet der Physik, und wir dachten, es wäre interessant, es in diese Forschung einzubeziehen und es mit dem biologischen Kontext zu vergleichen.“
Die Erforschung medizinischer Anwendungen könnte ein nächster Schritt sein
Nandan freut sich über die Begeisterung für seine Forschung. Er sagt, es sei nicht immer einfach, die Aufmerksamkeit auf rein theoretische Forschung zu lenken. Dennoch könnte seine Arbeit in einer nächsten Phase auch zu medizinischen Anwendungen führen.
„Wenn man neben der Ruhephase auch die Mutation von Organismen hinzufügt, könnte das für die Krebsforschung sehr interessant werden“, erklärt er. „Man könnte besser vorhersagen, wie sich ein Tumor entwickelt und welche Krebsarten nach einer Zeit der Inaktivität, dem sogenannten Rezidiv, erneut auftreten können.“
Laut Nandan wäre die Erforschung des theoretischen Modells mit realen Daten ein interessanter nächster Schritt in der Forschung. Das würde mögliche praktische Anwendungen näher rücken. Nach Abschluss seines Ph.D. Im Frühjahr nahm Nandan eine Stelle als quantitativer Risikoanalyst bei einer niederländischen Bank an, schließt jedoch eine Rückkehr zur akademischen Forschung nicht aus.