Neues Analyse-System entschlüsselt Stoffwechsel-Kommunikation von Mikroorganismen
Forschende des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung haben ein innovatives System namens MetaFlowTrain entwickelt, mit dem sich der Stoffwechsel und die Wechselwirkungen in mikrobiellen Gemeinschaften unter verschiedenen Umweltbedingungen untersuchen lassen. Die Studie wurde nun in Nature Communications veröffentlicht.
Mikrobielle Gemeinschaften setzen sich aus Gruppen von Mikroorganismen wie Bakterien, Pilzen und anderen mikroskopisch kleinen Lebensformen zusammen, die gemeinsam in bestimmten Umgebungen leben. Obwohl sie mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, übernehmen diese Gemeinschaften eine entscheidende Rolle im Nährstoffkreislauf, in den Prozessen von Nahrungsnetzen und beim Abbau von Schadstoffen in Ökosystemen. Sie tragen wesentlich zur Gesundheit von Pflanzen, Tieren und Menschen bei, indem sie die Nährstoffaufnahme fördern, das Immunsystem stärken und vor schädlichen Krankheitserregern schützen.
Die winzigen Organismen in mikrobiellen Gemeinschaften interagieren nicht nur über physische Kontakte, sondern auch durch den Austausch von Stoffwechselprodukten mit ihrer Umwelt und untereinander. Diese Exometaboliten – kleine Moleküle wie Aminosäuren, organische Säuren, Alkohole und Sekundärmetaboliten – werden von Mikroorganismen in die Umwelt abgegeben. Sie sind entscheidend für die Bildung mikrobieller Gemeinschaften und beeinflussen die Interaktionen zwischen den Organismen durch Kooperation und Konkurrenz. In diesen dynamischen Systemen war es für Wissenschaftler:innen bisher schwierig, zu bestimmen, welche Mikroorganismen bestimmte Metaboliten herstellen und wie diese Metaboliten die Interaktionen innerhalb der Gemeinschaft beeinflussen.
Stéphane Hacquard und sein Team arbeiten daran, die Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen Gemeinschaften von Pflanzen besser zu verstehen. Sie erkannten, dass die Trennung der Mikroorganismen den Einfluss von direktem Kontakt ausschließen würde. Dadurch könnten alle anderen Phänomene nur noch auf den Austausch von Metaboliten und Signalen zurückgeführt werden.
Das Ergebnis dieser Erkenntnis ist der MetaFlowTrain – ein speziell entwickeltes Fluidiksystem, das es den Wissenschaftler:innen ermöglicht, verschiedene Mikroorganismen in maßgeschneiderte, 3D-gedruckte Mikrokammern einzubringen. Diese Mikrokammern sind von Filtern umgeben, die den Austausch von Metaboliten ermöglichen und gleichzeitig die Übertragung von Mikroorganismen verhindern. Die Mikrokammern können dabei einzeln stehen oder in einer Reihe angeordnet werden (z. B. wie ein Zug mit verschiedenen Waggons), wobei jede einzelne Kammer unterschiedliche Gruppen von Mikroorganismen enthält. Wenn sich beispielsweise Bakterien in der ersten Kammer und Pilze in der zweiten Kammer befinden, können die Forschenden nun beobachten, wie sich Bakterien auf Pilze auswirken – und umgekehrt –, indem sie einfach die Kammern wechseln.
Der kontinuierliche Fluss von frischem Medium, der die Kammern miteinander verbindet, ermöglicht das Einspeisen verschiedener Stressfaktoren ins System und verhindert gleichzeitig eine Nährstoffverarmung in den Kammern. Dies stellt eine bedeutende Innovation dar, um neuartige mikrobielle Exometaboliten mit bioaktiven oder signalisierenden Eigenschaften zu identifizieren, die eine zentrale Rolle bei der Bildung mikrobieller Gemeinschaften spielen.
MetaFlowTrain ist einfach zu bauen und erschwinglich und birgt ein enormes Potenzial für die Identifizierung von Molekülen, die die Interaktion zwischen Mikroben und Mikroben sowie zwischen Mikroben und ihren Wirten vermitteln. Insbesondere können Forschende nun besser die metabolischen Dialoge „belauschen“, die die Zusammenarbeit oder den Wettbewerb in mikrobiellen Gemeinschaften vorantreiben.
Das System kann dabei helfen, neue antimikrobielle Mittel zu identifizieren, die schädliche Pflanzenpathogene hemmen. Das eröffnet neue Chancen für eine nachhaltige Landwirtschaft und besseren Pflanzenschutz. Darüber hinaus könnte das System auch zur Identifizierung natürlicher Verbindungen für die Medizin und andere Bereiche eingesetzt werden.
