Mikrobiom-Forschung auf dem Labor-Kompost Wie sich Mikroben und ihr Wirt gemeinsam an die Umwelt anpassen

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Ob Mensch, Maus oder Fadenwurm – alle vielzelligen Lebewesen sind besiedelt von Mikroben, die das so genannte Mikrobiom ihres Wirts ausmachen. Wie sich die Mikrobengemeinschaft zusammen mit ihrem Wirt an neue Umweltbedingungen anpasst, haben nun Forscher der Universität zu Kiel untersucht – und dafür im Labor einen eigenen Komposthaufen angelegt.

Alle vielzelligen Lebewesen – von den einfachsten tierischen und pflanzlichen Organismen bis hin zum Menschen – leben in enger Verbindung mit einer Vielzahl von Mikroorganismen zusammen. Dieser Verbund von Mikroben, die sich auf und in Geweben ansiedeln und symbiotische Beziehungen mit ihrem Wirt eingehen, wird Mikrobiom genannt. Viele Lebensfunktionen wie die Nährstoffaufnahme, die Regulierung des Immunsystems oder sogar neurologische Prozesse resultieren aus den Wechselwirkungen zwischen Wirtsorganismus und mikrobiellen Symbionten. Die funktionelle Zusammenarbeit zwischen Wirt und Mikroorganismen, die Wissenschaftler als einen Metaorganismus bezeichnen, wird an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) im Sonderforschungsbereich (SFB) 1182 „Entstehen und Funktionieren von Metaorganismen“ im Detail untersucht.

Forscher vermuten, dass das Mikrobiom einen wesentlichen Beitrag zur Umweltanpassung eines Gesamtorganismus leisten kann. Einen Grund dafür sehen sie in der raschen Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen, die um ein Vielfaches schneller auf veränderte Umweltbedingungen reagieren können als die genetisch gesteuerten Anpassungsmechanismen des Wirtslebewesens. Zahlreiche Forschungsarbeiten zeigten bereits, dass das Mikrobiom auf geänderte Umweltfaktoren wie höhere Temperaturen reagiert und dazu beispielsweise seine Artenzusammensetzung verändert und so zur Umweltanpassung des Wirtslebewesens beiträgt. Viele dieser Arbeiten waren bislang allerdings vor allem auf die dabei im Mikrobiom ablaufenden Mechanismen fokussiert.

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100 Tage Fadenwurm-Anpassung

Forschende aus der Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik um Professor Hinrich Schulenburg am Zoologischen Institut der CAU haben nun in einer neuen Studie die gemeinsamen Einflüsse von Wirtslebewesen und Mikrobiom in den Mittelpunkt gestellt: Dazu entwickelten sie eine Kultivierungsmethode, um die Anpassungen eines Metaorganismus an neue Umweltbedingungen zu untersuchen.

In einem Langzeitversuch über 100 Tage entwickelte sich der Fadenwurm Caenorhabditis elegans gemeinsam mit einer ursprünglich vorgegebenen Auswahl von Mikroorganismen unter komplexen und naturnahen Umweltbedingungen in einem Komposthabitat. Um Mechanismen der Ko-Evolution von Wirtslebewesen und Mikroorganismen quasi im Zeitraffer untersuchen zu können, eignet sich der Fadenwurm dank seiner sehr kurzen Generationszeit von nur etwa dreieinhalb Tagen besonders gut. Die Forschenden analysierten Veränderungen sowohl seitens der Wirte als auch im Mikrobiom und stellten fest, dass beide unter bestimmten Bedingungen gemeinsam dazu beitragen, den Gesamtorganismus optimal an eine neue Umwelt anzupassen.

Fitness von Würmern auf Labor-Kompost untersucht

Für ihren Langzeitversuch hat das Team eine geeignete Kompost-Umgebung unter kontrollierten Bedingungen nachgebildet und dazu so genannte Mesokosmen auf Grundlage von Pflanzenmaterial entwickelt. Aus diesem Labor-Kompost entnahm das Forschungsteam nach 100 Tagen oder rund 30 Wurmgenerationen sowohl Exemplare von C. elegans als auch Proben seines Mikrobioms, die sich in dieser Zeit jeweils gemeinsam an die neuen Umweltbedingungen angepasst hatten. Anschließend führten sie verschiedene Versuche in einem so genannten Common-Garden-Ansatz durch, um die Auswirkungen von Mikrobiom-Zusammensetzung und Wirtsgenetik auf die Anpassung des Metaorganismus zu ergründen. „Dazu haben wir ursprüngliche und evolvierte Würmer und Mikroben in allen möglichen Kombinationen zusammengebracht und diese jeweils in der naturnahen Umgebung in neuen Mesokosmos-Kompost-Boxen und auch auf Agarplatten kultiviert. Anschließend haben wir anhand verschiedener Parameter die Fitness des Gesamtorganismus bestimmt“, erklärt Carola Petersen, eine der Erstautorinnen und wissenschaftliche Mitarbeiterin in Schulenburgs Arbeitsgruppe.

„Besonders auffällig waren die guten Fitnesswerte der Würmer in einer bestimmten Box, deren Population im Vergleich zu den anderen Versuchsanordnungen außerordentlich zahlreich gedieh“, betont Petersen. „Diese Würmer zeigten im Vergleich mit der Ursprungspopulation eine stark abweichende Genexpression, auch wenn sie mit dem ursprünglichen Mikrobiom ausgestattet waren.“ Dieser Fitnessvorteil ist also offenbar genetisch gesteuert und damit eine vom Wirtsorganismus ausgehende Umweltanpassung, deren genaue Mechanismen noch nicht bekannt sind. Der Vorteil für den Gesamtorganismus äußert sich dabei in einer verbesserten Stressreaktion, mit denen die Würmer besser für eine komplexe Umwelt wie das Kompost-Habitat mit seinen zahlreichen strukturellen und physiologischen Einflussfaktoren ausgerüstet sind.

Wirt und Mikrobiom passen sich gemeinsam an Umwelt an

Zusätzlich haben die Forschenden belegt, dass das evolvierte Mikrobiom ebenfalls zu den Fitnessvorteilen des Wurms beitrug. „Der deutliche Effekt des erhöhten Populationswachstums zeigte sich nur in der Kompostumgebung in Anwesenheit der angepassten Mikroben, nicht aber auf Agarplatten“, erklärt Petersen. „Auch diese Komponente übt also offenbar einen hochspezifischen Einfluss auf die Fitness der Wurm-Population aus.“ Insgesamt liefert die Studie damit experimentelle Belege in Form spezifischer Veränderungen in der Mikrobiom-Zusammensetzung und auch in der Genexpression der Fadenwürmer, die zeigen, dass die Anpassung an eine neue Umgebung gemeinsam von Wirt und Mikrobiom beeinflusst werden kann.

„Diese Umweltanpassungen basieren häufig auf quantitativen genetischen Veränderungen. Wie genau dabei das Mikrobiom mit der Genetik des Wirts zur Verbesserung der gemeinsamen Fitness interagiert, ist bislang noch nicht erforscht“, sagt CAU-Forscher Schulenburg. „Mit unserem neuartigen Mesokosmos-System haben wir erstmals reproduzierbare Bedingungen geschaffen, anhand derer wir die Beiträge von Wirt und Mikrobiom zu diesem adaptiven Prozess nicht nur bestätigen, sondern in Zukunft auch ihre genauen Anteile quantifizieren können“, führt der Wissenschaftler aus. Dazu wollen die Forschenden in weiteren Studien die aus dem Langzeitexperiment gewonnenen genetischen Daten von Würmern und Mikroben umfangreich analysieren, um die Einflüsse von Wirtslebewesen und Mikroorganismen bei der evolutionären Anpassung an Umweltbedingungen im Detail aufzuklären.

Originalpublikation: Carola Petersen, Inga K. Hamerich, Karen L. Adair, Hanne Griem-Krey, Montserrat Torres Oliva, Marc P. Hoeppner, Brendan J.M. Bohannan, Hinrich Schulenburg: Host and microbiome jointly contribute to environmental adaptation. The ISME Journal First published: 6. September 2023; DOI: 10.1038/s41396-023-01507-9

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