Evolution in Gemeinschaften von Darmbakterien

Bakterien haben nahezu jeden Ort auf unserem Planeten erfolgreich besiedelt, wie etwa die Ozeane, Böden oder den Verdauungstrakt aller Tiere. Ihr Erfolg beruht auf ihrer Fähigkeit, sich an eine Vielzahl von Umweltbedingungen anzupassen, und hat im Laufe ihrer Evolution zu einer atemberaubenden Bakterienvielfalt geführt. In der Tat haben wir durch Laborexperimente herausgefunden, wie schnell sich Bakterien an neuartige Bedingungen anpassen (d.h. evolvieren) können, unter denen sie zuvor nicht wachsen konnten, wie etwa das Vorhandensein schädlicher Chemikalien oder Antibiotika. Doch solche Evolutionsexperimente wurden bis dato nur an einzelnen Bakterienarten durchgeführt. In Wirklichkeit wachsen Bakterien jedoch nicht alleine, sondern in Gemeinschaften, die aus vielen verschiedenen Arten bestehen. Innerhalb dieser vielfältigen Gemeinschaften konkurrieren die Mikroorganismen um Nährstoffe und Platz. So ist es auch in userem Darm, der Milliarden von Bakterienzellen beherbergt, die hunderten verschiedener Arten angehören. Deshalb ist es für die menschliche Gesundheit von Bedeutung zu verstehen, wie die Evolution einer bestimmten Bakterienart von all den anderen Arten in unserem Darm beeinflusst wird. Denn wenn Bakterien neue Fähigkeiten evolvieren um mit Herausforderungen, wie zum beispiel einer Antibiotikakur, fertig zu werden, existieren sie niemals im Vakuum sondern immer als Teil einer komplexen Gemeinschaft. Mein Projektziel ist es daher, eine wichtige offene Frage der Mikrobiologie und Evolution systematisch zu beantworten: Wie wird die Evolution einer bestimmten Art durch das Leben in einer komplexen Gemeinschaft aus vielen anderen Arten beeinflusst? Um diese Lücke zu schließen, werde ich im Labor eine Reihe von einfachen bis hin zu komplexeren Bakteriengemeinschaften zusammenstellen. Anhand dieser werde ich untersuchen, wie sich die Komplexität einer Bakteriengemeinschaft auf die Evolution eines zentralen Bakteriums, nämlich Escherichia coli, auswirkt. E. coli ist normalerweise ein harmloser Bewohner des menschlichen Darms, birgt aber auch das Potenzial, Krankheiten zu verursachen. Von medizinischer Bedeutung ist dabei, dass die Fähigkeit dieses Bakteriums sich Antibiotika zu wiedersetzen (Antibiotikaresistenz) weltweit zunimmt. Mein Projekt wird daher untersuchen, wie sich Artenvielfalt auf die Evolution von E. coli auswirkt, und zwar bei seiner Anpassung an 1) die vorhandene Bakteriengemeinschaft und 2) ein Antibiotikum. In meinem Projekt werden die Bakterien als kontinuierliche Laborkultur wachsen, welche die wichtigsten Aspekte des menschlichen Darms nachamt, etwa die Abwesenheit von Sauerstoff, ein langsames Wachstum und einen kontrollierten pH-Wert. Mein kontrolliertes experimentelles System wird damit zur Beantwortung einer der massgeblichen Fragen der Biologie des 21. Jahrundert beitragen, nämlich jener, wie Evolution in komplexen Öksystemen abläuft.