Böden beherbergen die komplexesten Lebensgemeinschaften der Erde und sind lebenswichtige Ressourcen, die der Menschheit wichtige Ökosystemleistungen und Ernährungssicherheit bieten. Aufgrund der Komplexität der Böden und der immensen organismischen Vielfalt wurden bisher für keinen Boden eindeutige Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung des Mikrobioms (sowohl taxonomisch als auch funktionell), der mikrobiellen Physiologie und den Energieflüssen hergestellt. Tatsächlich gab es keine einzige Methode, um die Diversität, Abundanz und Gemeinschaftszusammensetzung der Bodenmikrobiota und der Bodenfauna mit hoher taxonomischer Auflösung zu bewerten. Die Doppel-RNA-Metatranskriptomik ermöglicht nun solche ganzheitlichen Zählungen über phylogenetische Domänen und trophische Ebenen hinweg auf der Grundlage von rRNA und mRNA. Dies hat das Potenzial, mechanistische Verbindungen zwischen trophischen Interaktionen im Mikrobiom und Energie- und Kohlenstoffflüssen entlang der bakteriellen und pilzlichen Energiekanäle herzustellen. MYXED-UP 2 sieht die Untersuchung einer vernachlässigten Gruppe von Mikroorganismen im Nahrungsnetz des Bodens vor: die räuberischen Bakterien. Wir wollen die Rolle der räuberischen Myxobakterien im Nahrungsnetz des Bodens und ihre Fähigkeit, das Mikrobiom sowie die Energie- und Stoffflüsse zu modulieren, explizit identifizieren. Zu diesem Zweck haben wir uns zu einem interdisziplinären Konsortium aus insgesamt fünf Arbeitsgruppen aus den Bereichen Bodenbiologie, Biogeochemie, Mikrobiologie und Modellierung zusammengetan, das sich dieser Herausforderung durch eine einzigartige Kombination von Fachwissen und zentralen Laborexperimenten stellen wird. In Experimenten mit natürlichen mikrobiellen Konsortien werden wir die Auswirkungen von Nematoden und Myxobakterien auf die Struktur des Mikrobioms und die Energie- und Stoffflüsse untersuchen. Die hochintegrierten Experimente werden reichhaltige und heterogene Datensätze liefern, die letztlich in die Modellierung des mikrobiellen Wachstums und des Umsatzes spezifischer funktioneller Gilden in den Mikrokosmen einfließen werden. Im Rahmen der gemeinsamen Forschung wird MYXED-UP2 mit Hilfe der quantitativen Metatranskriptomik einen umfassenden Einblick in Mikrobiome geben, der Verbindungen zwischen Mikrobiom-Mitgliedern und Thermodynamik herstellen wird. In Arbeitspaket 2 wollen wir die Auswirkungen der “Death pathways” (räuberische Myxobakterien vs. Bakteriophagen) auf die Zusammensetzung der bakteriellen und pilzlichen Nekromasse verstehen.
Böden sind lebenswichtige Bestandteile terrestrischer Ökosysteme. Wie Energie- und Materieflüsse in Böden in Zusammenhang stehen mit der strukturellen und funktionellen Vielfalt des Bodenmikrobioms und seiner Wechselwirkung mit höheren trophischen Ebenen ist jedoch weitestgehend unverstanden. In diesem Antrag möchten wir eine synthetische mikrobielle Bodengemeinschaft verwenden, die die wichtigsten mikrobiellen Taxa und mikrobielle Predatoren im Boden wiederspiegelt, um Zusammenhänge zwischen dem Energie- und Materieeintrag in den Boden, der Struktur und Funktion des Bodenmikrobioms und den daraus resultierenden Energie- und Materieflüssen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde eine synthetische Bodengemeinschaft konzipiert, die aus 25 Repräsentanten der Proteobakterien, Acidobakterien, Actinobakterien, Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Chloroflexi und Gemmatimonadetes sowie einem typischen Bodenascomyceten besteht. Predatoren werden durch bakterien- und pilzfressende Nematoden sowie bakterienfressende Myxobakterien vertreten sein. In Arbeitspaket (AP) 1 werden wir in einem multidisziplinären Großexperiment mit sechs weiteren SPP-Partnern Hypothese A des SPP testen: Das Mikrobiom moduliert die Energiefreisetzung und den Materieumsatz entlang verschiedener Energieverbrauchskanäle. Der Schwerpunkt dieses AP liegt auf der Auswirkung von bakterienfressenden Predatoren und der Konkurrenz zwischen ihnen auf die Struktur des Mikrobioms und dadurch modulierte Kohlenstoffflüsse, Kohlenstoffreservoirs und Wärmefreisetzung in einer synthetischen Bodengemeinschaft. Parallel dazu werden wir die Auswirkungen funktioneller Gruppen von Predatoren (bakterienfressende vs. pilzfressende) auf die Struktur des Mikrobioms, die Kohlenstoffflüsse und die Wärmefreisetzung in einer natürlichen Bodengemeinschaft identifizieren. In AP2 werden wir die synthetischen Bodengemeinschaft verwenden, um Hypothese B des SPP zu untersuchen: Energie- und Materieeintrag im Boden beeinflussen die biologische Komplexität. Hier wollen wir verstehen, wie Modellsubstrate mit unterschiedlicher Energieausbeute und Abbaubarkeit (Cellulose, Stärke) die Struktur der synthetischen Bodengemeinschaft mit und ohne Einfluss der Predatoren beeinflussen. Darüber hinaus werden wir untersuchen, wie das primäre Energiesubstrat die Expression chemischer Abwehrmechanismen zwischen Mikrobiom-Mitgliedern beeinflusst und sich somit indirekt auf die Kohlenstoffflüsse und -reservoirs sowie die Wärmefreisetzung auswirkt. Wir sind überzeugt, dass eine synthetische Bodengemeinschaft ein wesentlicher Schritt in Richtung eines konzeptionellen Verständnisses ökologischer Wechselwirkungen in Böden ist. Dieser systembiologische Ansatz wird ermöglichen zu verstehen wie das Bodenmikrobiom und höhere trophische Ebenen (AP1) sowie das primäre Energiesubstrat (AP2) Energie- und Kohlenstoffflüsse im Boden beeinflussen.
Myxobacteria Collection Hans Reichenbach together with the working group "Natural Products" in the GBF, German Research Center for Biotechnology, now HZI, Helmholtz Centre for Infection Research, in Braunschweig, built up a unique collection of myxobacteria (order Myxococcales) comprising about 7000 strains.
Marine und terrestrische Mikroorganismen sind eine bedeutende Quelle für neue Wirkstoffe (antiinfektive, zelltoxische und antivirale Substanzen). Die Probenahme in unerforschten Gebieten und ökologischen Nischen erhöht die Chance auf das Auffinden neuartiger Strukturen mit neuartigen Wirkmechanismen. Diese haben große Aussichten auf die spätere Verwendung in der Klinik, da sie auf noch ungenutzte Angriffspunkte zielen. Im geplanten Projekt sollen in Zusammenarbeit mit der University of the South Pacific (USP) auf den Fidschi-Inseln Probeentnahmen aus marinen und terrestrischen Quellen erfolgen. Aus diesen sollen im Laufe des Projekts Bakterienstämme (Aktinomyceten und Myxobakterien) isoliert werden. Jeder der isolierten Stämme soll einem chemischen und biologischen Screening unterzogen werden, das eine Testung auf biologische Aktivität (antibakteriell, antimykotisch und zelltoxisch), eine Metabolitenidentifizierung sowie einen Abgleich der isolierten Metabolite mit Naturstoff-Datenbanken beinhaltet. Die Aktinomyceten- bzw. Myxobakterien-Stämme, die entweder bioaktivitätsbedingte außergewöhnliche Eigenschaften aufweisen oder es Hinweise auf die Produktion von strukturell neuartigen Metaboliten gibt, sollen im größeren Maßstab kultiviert werden um entsprechende Substanzen zu isolieren und strukturell mittels einer Kombination aus NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie aufzuklären. Durch die Entnahme der Proben aus dem bislang nicht ausreichend erforschten marinen Ökosystem (und angeschlossenen terrestrischem) ist die Wahrscheinlichkeit der Isolierung neuer Pools mikrobieller Biodiversität, und damit auch neuartiger chemischer Gerüste bzw. Grundstrukturen sehr hoch.
Kürzlich wurde eine neue Gattung von Myxobakterien entdeckt, welche durch Produktion großer Mengen an mehrfach ungesättigten Omega-3 Fettsäuren (Omega-3 PUFAs) charakterisiert ist. Es wurden mehrere Produzentenstämme isoliert und patentiert. Der therapeutische Nutzen von Omega-3 PUFAs ist, z.B. bei der Vorbeugung von Krankheiten klinisch nachgewiesen, was zu einem hohen kommerziellen Interesse und einem ständig steigenden Bedarf an den Substanzen führte. Allerdings werden sie derzeit aus Fischölen oder durch kostspielige Fermentation mariner Algen und Protisten gewonnen. Es ist zweifelhaft, ob der steigende Bedarf in Zukunft aus diesen Quellen gedeckt werden kann. Unser Ziel ist die Erarbeitung alternativer fermentativer Produktionsprozesse mithilfe der neuen Myxobakterien, bzw. ihrer Gene, basierend auf modernen Methoden der Genomik, Molekularbiologie und Biotechnologie. Auf Basis von Genomsequenzen, bzw. über Cosmidbanken und PCR-Screening, sollen zunächst die Biosynthesegene dieser ersten bislang bekannten prokaryontischen Überproduzenten von Omega-3 PUFAs identifiziert werden. Nach eingehendem Studium der Biosynthese wird die homologe und heterologe Expression der PUFA-Biosynthese im Labor- und Pilot-Maßstab, angestrebt. Auch die charakteristischen Sekundärstoffe der Wildstämme werden isoliert und zum Zwecke der Risikoabschätzung charakterisiert.. Neben modernen Fermentations- und Aufarbeitungstechniken kommen dabei präp. HPLC, GC-MS, LC-MS und NMR zum Einsatz.
Das EU-Hygienepaket eröffnet den Wirtschaftsbeteiligten die Möglichkeit zur risikoorientierten Fleischuntersuchung bei Mastschweinen. Ziel ist es, die EU-Vorgaben an die in Bayern überwiegend vorhandenen kleinbäuerlichen Strukturen der Betriebe anzupassen. Bei dem Vorhaben handelt es sich um ein Teilprojekt des Gesamtvorhabens 'Risikoorientierte Fleischuntersuchung bei Mastschweinen aus kontrollierten Aufzuchtbedingungen in mittelständischen und kleinen Schlachtbetrieben' Ziel des Teilprojektes ist die Verbesserung der Schlachttier- und Fleischuntersuchungsverfahren hinsichtlich einer moderne Verfahren berücksichtigende Diagnose von Zoonosen, wie z. B. Salmonellen, Mykobakterien und Yersinien, und damit eine Verbesserung der Präventionsmaßnahmen im Bereich des Schlachthofes zur Kontaminationsminderung von Fleisch mit diesen Zoonosenerregern.
Ziele: Aus neu isolierten Stämmen seltener mariner Pilze, Schwämme, Myxobakterien sowie Actinomyceten und Streptomyceten sollen neue Reinsubstanzen als Leitstrukturen mit hoher chemischer Diversität gewonnen werden. Die Substanzen werden an Tumoren sowie Modellen für Entzündung, Immunsuppression und Immunstimulation geprüft. Pharmakologisch wirksame Verbindungen werden gemeinsam patentiert und verwertet.
Es wurde die Sukzession der bakteriellen Lebensgemeinschaft entlang einem vertikalen Sauerstoffgradienten in Mikrokosmen gefluteten, unbepflanzten Reisfeldbodens untersucht. Messungen mittels Mikroelektroden zeigten, dass Sauerstoff bereits 6 Sunden nach Überflutung in einer Tiefe von 2 mm nicht mehr nachweisbar war. Der Sauerstoffgradient war über Zeit relativ stabil. Molekulare Fingerprintmuster der bakteriellen Gemeinschaft wurden mittels T-RFLP-Analyse nach 0,1 und 6 Stunden sowie nach 1, 2, 7, 21, 30, 42, 84 und 168 Tagen Dunkelinkubation aus der oxischen Zone, der Transitionszone und der anoxischen Zone von jeweils drei Parallelmikrokosmen erzielt. Korrespondenzanalysen zeigten, dass die T-RFLP-Muster durch die Faktoren Sauerstoffzone und Inkubationszeit beeinflusst waren, und ebenfalls eine signifikante Interaktion der beiden Faktoren bestand. Auf der rRNA-Ebene war die Sukzession der bakteriellen Gemeinschaft sowohl in der oxischen als auch in der anoxischen Zone am stärksten zwischen 1 Stunde und 2 Tagen nach Überflutung und etwas geringer nach 2 bis 21 Tagen ausgeprägt. Kein Effekt der Faktoren Sauerstoffzone und Inkubationszeit auf die Dynamik der bakteriellen Gemeinschaft wurde zwischen 21 und 168 Tagen nach Überflutung beobachtet. Die vergleichende Analyse von 16S rRNA/rDNA-Umweltsequenzen identifizierte Mitglieder der Betaproteobacteria (oxische Zone) sowie des Cluster I der Gattung Clostridium als charakteristisch für die frühe Phase der bakteriellen Sukzession. Hingegen wurde die späte Phase durch Mitglieder der Verrucomicrobia und Nitrospira (hauptsächlich in der oxischen Zone), und der Myxococcales (hauptsächlich in der anoxischen Zone) dominiert. Deutliche Veränderungen über Zeit in der Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft ergaben sich auch für die kultivierbare Fraktion der oxischen Zone. Repräsentative Isolate der frühen Sukzessionsphase gehörten vorwiegend den Betaproteobacteria an, während Vertreter der Alphaproteobacteria die Mehrzahl der Isolate der späten Phase ausmachten.
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