Welche Bakterien im Ökosystem sind die Wichtigsten?

Dieser Frage sind Wissenschaftler vom Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) und der Life Science Research Unit (LSRU) der Universität Luxemburg jetzt in Zusammenarbeit mit US-Forschern auf den Grund gegangen.

Und tatsächlich: Den Forschern ist es gelungen, die Schlüsselarten solcher Ökosysteme zu bestimmen - also die Arten, die einen besonders großen Einfluss auf die Lebensgemeinschaft haben: „Sie erfüllen eine essentielle Funktion im Ökosystem“, erläutert Prof. Paul Wilmes, Leiter des Projekts: „Viele andere Arten sind auf die Stoffwechselprodukte von Schlüsselarten angewiesen. Wenn sie ausfallen, hat das dramatische Folgen für das ganze Ökosystem. Unterstützt man aber die Schlüsselarten, stabilisiert sich die Lebensgemeinschaft.“

Schlüsselgene bestimmen Schlüsselarten

Für ihre Studie haben Wilmes und sein Team zu unterschiedlichen Jahreszeiten Proben aus Klärbecken entnommen. Anschließend bestimmten sie die Gesamtheit aller bakteriellen Gene in diesen Proben, analysierten welche Gene abgelesen werden und verschafften sich einen Überblick über die daraus resultierenden Proteine, die Bausteine, die alle Funktionen in einem Organismus ausführen.

Computerberechnungen der Wissenschaftler zeigen, dass es sich bei den Schlüsselarten nicht um die besonders häufigen Arten handelt. Viel wichtiger sind Bakterien, die zwar in geringerer Zahl vorkommen, bei denen aber einzelne, essentielle Gene – die Forscher sprechen von Schlüsselgenen – in zahlreichen Kopien vorliegen und deshalb überproportional oft abgelesen werden.

„Wir konnten rechnergestützt das Stoffwechsel-Netzwerk der gesamten Lebensgemeinschaft rekonstruieren“, sagt Dr. Anna Heintz-Buschart, LCSB-Wissenschaftlerin und Erstautorin der Publikation: „Es verrät uns, welche Stoffe von der Lebensgemeinschaft grundsätzlich produziert werden können, welche Gene in mehreren Kopien in verschiedenen Bakterienarten vorkommen und in welchen Mengen bestimmte Proteine gebildet werden.“

Medizinische Bedeutung

Die Erkenntnisse des Teams haben auch medizinische Bedeutung: Geraten Mikroben-Gesellschaften bei Krankheiten aus dem Gleichgewicht, lässt sich durch gezielte Unterstützung der zentralen Bakterienarten unter Umständen ein positiver gesundheitlicher Effekt erzielen.

LCSB-Direktor Prof. Dr. Rudi Balling erläutert: „Wir nehmen an, dass Krankheiten wie etwa Parkinson eine Ursache darin haben könnten, dass die Zusammensetzung mikrobieller Lebensgemeinschaften im menschlichen Körper gestört ist. Mit dem Wissen über die Schlüsselarten können wir die molekularen Ursachen in Zukunft genauer unter die Lupe nehmen – und Maßnahmen erforschen, um das ökologische Gleichgewicht beispielsweise im Darm wieder herzustellen.“

Neue Technologien

Bisher war es für Wissenschaftler schwierig, die Abhängigkeiten zu analysieren, denen Bakterien in einem komplexen Ökosystem wie dem Darm oder eben einer biologischen Kläranlage unterworfen sind. Zumeist bestimmten sie die Organismenzahl solcher Arten, die unter wechselnden Umweltbedingungen gemeinsam auftreten. Eine ähnliche Dichte der Bakterien galt als ein Hinweis auf starke gegenseitige Wechselwirkung.

„Mit dem Aufkommen neuer Technologien haben sich völlig neue Möglichkeiten ergeben, Ökosysteme zu erforschen“, sagt Paul Wilmes: „Nach Hochdurchsatzanalysen, in denen wir sehr große Datenmengen erfassen, können wir jetzt am Rechner die genetischen und stofflichen Netzwerke rekonstruieren. Mit ihnen lässt sich aufklären, wie sich die Lebewesen gegenseitig beeinflussen. In unserer Studie war uns vor allem wichtig, spezifische Schlüsselgene zu identifizieren, die eine zentrale Rolle im Stoffwechsel der mikrobiellen Gemeinschaften spielen. Diese Gene konnten wir dann bestimmten Schlüsselarten zuordnen.“

Autor: Uni Luxemburg
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