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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

Janina Lange

Doktoranden , Assoziierte Nachwuchswissenschaftler
Universität Kiel Zoologisches Institut

Nancy Obeng

Doktoranden
Universität Kiel Zoologisches Institut

Publikationen

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