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Mathematisches Modellieren von Interaktionen in evolvierenden Metaorganismen

Warum interagieren Individuen unterschiedlicher taxonomischer Gruppen und sogar verschiedener Domänen in einem Metaorganismus in einer allgemein vorteilhaften Art und Weise miteinander und formen dabei eine Selektionseinheit? Diese Frage ist eines der faszinierendsten, ungelösten Mysterien in der gegenwärtigen Evolutionsbiologie. Der Grund dafür ist, dass Selektion auf der Ebene eines Individuums für gewöhnlich für eine sich entwickelnde Population am stärksten sein sollte, weil sich auf diesem Level phänotypische Variation direkt auf die Fitnessunterschiede unter den Individuen überträgt. Diese Variationen verschmelzen in einen durchschnittlichen Fitnesswert, was möglicherweise die Selektionsreaktion auf dem Level der Gemeinschaft verlangsamt.

Mathematische Modelle können uns helfen die selektiven Bedingungen zu verstehen, welche die vorteilhaften Interaktionen in Metaorganismen bewirken. Dieses Projekt hilft dabei mathematische Modelle, basierend auf empirischen Daten aus zwei einfachen experimentellen Systemen, zu etablieren. Es handelt sich um die Metaorganismen Hydra und C. elegans, welche beide dazu dienen sowohl die Interaktionen zwischen verschiedenen Mikrobentypen (Bakterien, Bakteriophagen) als auch zwischen diesen Mikroben und ihren Wirten zu beschreiben. Diese Modelle werden verwendet um die Dynamik der mikrobiellen Interaktionen zu verstehen. Das heißt, die Veränderung der relativen und absoluten Häufigkeit der Mikroben im Laufe der Zeit, und auch die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Fitness und andere Lebensfunktionen des Metaorganismus.

Das Projekt fußt auf eine enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen und theoretischen Forschungsgruppen. Während der Entwicklung der mathematischen Modelle, welche die Realität auf abstrahierte und vereinfachte Weise widerspiegeln, werden wir wichtige grundlegende Modellannahmen testen und anschließend das Modell in einer iterativen Prozedur, zwischen Theorie und Experimenten expandieren. Das Vorhaben wird die Grundlage für die Anwendung ähnlicher theoretischer Ansätze für andere Forschungsprojekte des SFB 1182 bilden.

Wissenschaftler

Nancy Obeng

Doktoranden
Universität Kiel Zoologisches Institut

Dr. Tim Lachnit

Assoziierte Wissenschaftler
Universität Kiel Zoologisches Institut

Janina Lange

Assoziierte Wissenschaftler
Universität Kiel Zoologisches Institut

Publikationen

2019

FeaturedThe functional repertoire contained within the native microbiota of the model nematode Caenorhabditis elegans

Zimmermann J, Obeng N, Yang W, Pees B, Petersen C, Waschina S, Kissoyan KAB, Aidley J, Hoeppner MP, Bunk B, Spröer C, Leippe M, Dierking K, Kaleta C*, Schulenburg H* (2019) The ISME Journal. 1-13. * Shared senior authorship  doi: 10.1038/s41396-019-0504-y

The inducible response of the nematode Caenorhabditis elegans to members of its natural microbiome across development and adult life

Yang W#, Petersen C#, Pees B#, Zimmermann J, Waschina S, Dirksen P, Rosenstiel P, Tholey A, Leippe M, Dierking K, Kaleta C*, Schulenburg H*.  Front Microbiol. 10:1793. # Equal contribution as first authors, * Equal contribution as senior authors doi: 10.3389/fmicb.2019.01793.

FeaturedNeutrality in the metaorganism

Sieber M, Pita L, Weiland-Bräuer N, Dirksen P, Wang J, Mortzfeld B, Franzenburg S, Schmitz RA, Baines JF, Fraune S, Hentschel U, Schulenburg H, Bosch TCG, Traulsen A (2019) PLoS Biol., DOI: 10.1371/journal.pbio.3000298

The microbiome mediates environmental effects on ageing

Finlay B, Pettersson S, Melby M, Bosch TCG (2019) BioEssays, 1800257, 1-7; doi: 10.1002/bies.201800257

Evolutionary “experiments” in symbiosis: the study of model animals provides insights into the mechanisms underlying diversity of host-microbe interactions

Bosch TCG, Guillemin K, McFall-Ngai M (2019) BioEssays, 1800256 (1-8). doi: 10.1002/bies.201800256

Exposure of the host-associated microbiome to nutrient-rich conditions may lead to dysbiosis and disease development – an evolutionary perspective.

Lachnit T, Bosch TCG, Deines P (2019) mBio (Opinion article); 10:3, e00355-19, 1-8, doi: 10.1128/mBio.00355-19

Bdellovibrio and like organisms are predictors of microbiome diversity across diverse host groups.

Johnke J, Fraune S, Bosch TCG, Hentschel U, Schulenburg H (2019) Microbial Ecology DOI: 10.1007/s00248-019-01395-7

Resolving structure and function of metaorganisms through a holistic framework 2 combining reductionist and integrative approaches

Jaspers C, Fraune S, Consortium of Australian Academy of Science Boden Research Conference Participants, Arnold AE, Miller DJ, Bosch TCG, Voolstra CR (2019) Zoology. doi: 10.1016/j.zool.2019.02.007

2018

Metabolic co-dependence drives the evolutionarily ancient Hydra-Chlorella symbiosis.

Hamada M, Schröder K, Bathia J, Kürn U, Fraune S, Khalturina M, Khalturin K, Shinzato C, Satoh N, Bosch TC (2018); Elife 7. pii: e35122. doi: 10.7554/eLife.35122

Grow With the Challenge – Microbial Effects on Epithelial Proliferation, Carcinogenesis, and Cancer Therapy

Von Frieling J, Fink C, Hamm J, Klischies K, Forster M, Thomas C. G. Bosch TCG, Roeder T, P Rosenstiel P, Sommer F (2018); Front. Microbiol. doi: 10.3389/fmicb.2018.02020

Non-senescent Hydra tolerates severe disturbances in the nuclear lamina.

Klimovich A, Rehm A, Wittlieb J, Herbst EM, Benavente R, Bosch TCG (2018); Aging (Albany NY) 10(5):951-972. doi: 10.18632/aging.101440

Rethinking the Role of the Nervous System: Lessons From the Hydra Holobiont.

Klimovich AV, Bosch TCG (2018); Bioessays 40(9):e1800060. doi: 10.1002/bies.201800060

Stem cell transcription factor FoxO controls microbiome resilience in Hydra.

Mortzfeld B M, Taubenheim J,Fraune S, Klimovich A V, Bosch T C G (2018); Front Microbiol., doi: 10.3389/fmicb.2018.00629

Metaorganisms in extreme environments: do microbes play a role in organismal adaptation?

Bang C, Dagan T, Deines P, Dubilier N, Duschl W J, Fraune S, Hentschel U, Hirt H, Hülter N, Lachnit T, Picazo D, Galan P L, Pogoreutz C, Rädecker N, Saad M M, Schmitz R A, Schulenburg H, Voolstra C R, Weiland-Bräuer N, Ziegler M, Bosch T C G (2018); Zoology, doi: 10.1016/j.zool.2018.02.004

How the microbiome challenges our concept of self.

Rees T, Bosch T G C, Douglas A E (2018); PloS Biol., 16(2):e2005358. doi:10.1371/journal.pbio.2005358

2017

Temperate phages as self-replicating weapons in bacterial competition.

Li XY, Lachnit T, Fraune S, Bosch T C G, Traulsen A, Sieber M (2017); J R Soc Interface, 14(137). doi: 10.1098/rsif.2017.0563

Spontaneous body contractions are modulated by the microbiome of Hydra.

Murillo-Rincon A P, Klimovich A, Pemöller E, Taubenheim J, Mortzfeld B, Augustin R, Bosch T C G (2017); Scientific Reports, 7(15937). doi:10.1038/s41598-017-16191-x

FeaturedA secreted antibacterial neuropeptide shapes the microbiome of Hydra.

Augustin R, Schröder K, Murillo Rincón A P, Fraune S, Anton-Erxleben F, Herbst E M, Wittlieb J, Schwentner M, Grötzinger J, Wassenaar T M, Bosch T C G (2017); Nat Commun., 8(1):698. doi: 10.1038/s41467-017-00625-1

The Natural Biotic Environment of Caenorhabditis elegans.

Schulenburg H, Félix M A (2017); Genetics., 206(1):55-86. doi: 10.1534/genetics.116.195511

Caenorhabditis elegans as a model for microbiome research.

Zhang F, Berg M, Dierking K, Félix M A, Shapira M, Samuel B, Schulenburg H (2017); Front. Microbiol., 8:485. doi: 10.3389/fmicb.2017.00485

2016

Emerging Sponge Models of Animal-Microbe Symbioses.

Pita L, Fraune S, Hentschel U (2016); Front Microbiol., 7:2102. doi: 10.3389/fmicb.2016.02102

The Origin of Mucosal Immunity: Lessons from the Holobiont Hydra.

Schröder K, Bosch T C (2016); MBio., 7(6):e01184-16. doi: 10.1128/mBio.01184-16

Transitioning from Microbiome Composition to Microbial Community Interactions: The Potential of the Metaorganism Hydra as an Experimental Model.

Deines P, Bosch T C G (2016); Front. Microbiol., 7:1610. doi: 10.3389/fmicb.2016.01610

Using Nematostella vectensis to Study the Interactions between Genome, Epigenome, and Bacteria in a Changing Environment.

Fraune S, Forêt S, Reitzel A M (2016); Front. Mar. Sci., 3:148. doi: 10.3389/fmars.2016.00148

Antimicrobial effectors in the nematode C. elegans – an outgroup to the Arthropoda.

Dierking K, Yang W, Schulenburg H (2016); Phil Trans R Soc Lond B., 371. doi:

The native microbiome of the nematode Caenorhabditis elegans: Gateway to a new host-microbiome model.

Dirksen P, Marsh SA, Braker I, Heitland N, Wagner S, Nakad R, Mader S, Petersen C, Kowallik V, Rosenstiel P C, Felix M A, Schulenburg H (2016); BMC Biology, 14:38. doi:10.1186/s12915-016-0258-1