„The consequences of distributed metabolic functions in microbial communities under fluctuating environments“
Mikroben wie Bakterien, Archaeen und einzellige Eukaryoten leben typischerweise in mikrobiellen Gemeinschaften, die aus zahlreichen unterschiedlichen Stämmen und Spezies bestehen. Diese Gemeinschaften sind von zentraler Bedeutung für dieFunktionen vieler Ökosysteme sowie für globale ökologische Prozesse. Zudem bieten synthetische mikrobielle Gemeinschaften enormes Potential für biotechnologische Anwendungen, wie den Abbau von Schadstoffen oder die nachhaltige Synthese komplexer chemischer Verbindungen. Trotz ihrer Bedeutung sind die Mechanismen, wie diese Mikroben miteinander interagieren und wie diese Interaktionen die Zusammensetzung und Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften beeinflussen, nur wenigverstanden. Eine zentrale Form der Interaktion in mikrobiellen Gemeinschaften ist der Austausch essentieller Metabolite. Viele Mikroben sind nicht in der Lage, alle für ihr Wachstum notwendigen zellulären Bausteine, wie beispielsweise Aminosäuren zur Proteinsynthese, selbst zu produzieren und sind daher auf den Austausch dieser essentiellen Metabolite mit anderen Mikroben angewiesen - ein Prozess bekannt als 'Crossfeeding'.
Meine Masterarbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Mechanismen, die die Menge der freigesetzten Metabolite, speziell von Aminosäuren, in Crossfeeding-Interaktionen beeinflussen. Dazu untersuchte ich das Wachstum von Aminosäure-auxotrophen Stämmen von Escherichia coli, die ihre benötigte Aminosäure durch Crossfeeding von prototrophen oder auxotrophen Produzenten erhalten.
Ich nutzte dafür Mikrofluidik-Einzelzellexperimente und entwickelte einen MATLAB-Code, um die Wachstumsraten der interagierenden Stämme auf Basis der mikroskopischen Aufnahmen zu analysieren. Dies ermöglichte es mir, Crossfeeding-Interaktionen in verschiedenen Konsortien zu vergleichen. Meine Ergebnisse zeigen, dass auxotrophe Rezipienten höhereWachstumsraten erreichen, wenn sie die benötigte Aminosäure von Produzenten erhalten, die selbst ebenfalls Aminosäure-auxotroph und auf reziprokes Crossfeeding angewiesen sind, als wenn sie die Aminosäure von Crossfeeding-unabhängigen prototrophen Produzenten erhalten. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass auxotrophe Produzenten eine größere Menge der jeweiligen Aminosäure freisetzen und damit ein besseres Wachstum der Rezipienten ermöglichen.
Die Menge der von Produzenten freigesetzten Metabolite hat einen wesentlichen Einfluss auf das Wachstum der Rezipienten, die von diesen Metaboliten abhängig sind. Ein tieferes Verständnis der Mechanismen, die diese Unterschiede in der Freisetzung von Metaboliten verursachen, ist entscheidend, um die Zusammensetzung von natürlichen und synthetischen mikrobiellen Gemeinschaften zu verstehen. Weitere Analysen der Wachstumsdynamiken in Mikrofluidik-Experimenten können wertvolle Einblicke in diese Mechanismen liefern.