Bakterielle Ökosysteme exakt vermessen

29. November 2014, 18:00
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Bewohner einer biologischen Kläranlage im Detail aufgeschlüsselt - Ergebnisse auch für die Medizin relevant

Internationalen Wissenschaftern ist es gelungen, die komplexen Verhältnisse in einem Ökosystem umfassend zu vermessen. Als Modell diente ihnen das Ökosystem "biologische Kläranlage": Dort leben zahlreiche Bakterienarten, die an der Abwasserreinigung beteiligt sind.

Mit seinen Erkenntnissen belegt und verknüpft das Team vom Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) um Paul Wilmes verschiedene ökologische Theorien, die es zu makrobiotischen Systemen wie Wäldern, Flüssen oder Meeren gibt – die dort aber wegen der Größe der Lebensräume nicht tiefgehend experimentell untersucht werden können. Für ihre Analysen des Ökosystems Kläranlage setzten die Forscher systembiologische Methoden ein: Klärabwässer sind ein energiereiches Stoffgemisch. Sie enthalten Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate und viele andere Substanzen, die Bakterien als Nahrung dienen. Dadurch wird jede Kläranlage ein komplexes Ökosystem. Zahllose Bakterienarten passen sich den Lebensumständen im Wasser an, wetteifern um die Ressourcen und suchen sich eine Nische, in der sie am besten überleben können.

Grundlage der Untersuchungen sind die so genannten "Omics" – Genomics, Transcriptomics, Proteomics oder Metabolomics –, sowie neue bioinformatische Auswertemethoden für eine integrierte Datenanalyse. "Damit können wir anhand von Wasserproben bestimmen, was für Organismen in der Kläranlage leben, wie ihre Populationsgröße, Genaktivitäten und Stoffumsätze aussehen. Eine Untersuchung einzelner Bakterien in Reinkultur ist dafür nicht mehr erforderlich", erklärt Emilie Muller, Erstautorin der Publikation. "Auf dieser Basis können wir die Stoffströme im Ökosystem 'Kläranlage' genau darstellen und beispielsweise beschreiben, welche Bakterienart welche Substanz in einem bestimmten Ausmaß nutzt und verwertet."

Fettfressendes Bakterium

Außerdem wollen die Forscher verstehen, welche Faktoren die Artenzusammensetzung und damit das Gleichgewicht im Ökosystem bestimmen."Das Haupptaugenmerk liegt dabei vor allem auf der Bakterienart Microthrix parvicella, deren Genomsequenz vor zwei Jahren erstmals entschlüsselt wurde. Das Bakterium kann besonders viele Lipide aufnehmen und speichern. Im Winter gehören bis zu 50 Prozent aller Bakterien an der Oberfläche von Klärbecken zu dieser Art. Muller: "Das ist insofern erstaunlich, als im Winter der Lipidanteil im Klärwasser eher gering ist, und Microthrix dann eigentlich ungünstige Lebensbedingungen hat."

Bei ihren Untersuchungen die Wissenschafter heraus, dass in Microthrix das Gen, das an der Aufnahme der Lipide maßgeblich ist, in 28-facher Ausfertigung vorliegt: "Allerdings sind immer nur einige dieser homologen Gene aktiv", sagt Muller, "und diese Feinjustierung ist für ökologischen Erfolg von Microthrix verantwortlich."

Wie sich zeigte, liegt dies daran, dass Microthrix das ist, was in der Ökologie als ein Generalist bezeichnet wird. Der Organismus kann sich an sehr viele Lebensumstände anpassen und deshalb das schnell veränderliche Ökosystem der Klärbecken dominieren. Dabei helfen unter anderem die 28 Gene zur Lipidaufnahme. Jede Ausfertigung des Gens unterscheidet sich ein wenig von den anderen. Verändern sich die Lebensbedingungen, etwa indem die Temperatur sinkt oder sich die Lipidzusammensetzung ändert, springt ein anderes, optimal auf diesen Umstand eingestelltes Lipidaufnahme-Gen an. So kann Microthrix in einer Vielzahl unterschiedlicher Lebensumwelten zurechtkommen. Das Ziel der Forscher ist es nun, die Leistung von Microthrix weiter zu steigern, sodass das Bakterium möglichst viele Lipide aus dem Klärwasser entnimmt.

Medizinisch relevant

Die Wissenschafter sehen in der Ökosystem-Forschung auch eine wichtige Grundlage für medizinische Fragestellungen. Die Ergebnisse sind wichtig, weil die Gesundheit maßgeblich von bakteriellen Ökosystemen beispielsweise im Darm oder auch auf der Haut mitbestimmt wird. Geraten diese fragilen Gleichgewichte durcheinander, können Krankheiten eintreten. (red, derStandard.at, 29.11.2014)

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