Determinants and evolution of metabolic interactions in synthetic microbial communities

Im Gegensatz zu Laborbedingung teilen sich Mikroorganismen Raum und Ressourcen in ihrer natürlichen Umgebung. Dies führt dazu, dass eine Reihe von Interaktionen verschiedenster Art und mit unterschiedlichem Einfluss auf die Fitness der einzelnen Organismen etabliert werden. Eine Unterkategorie dieser Interaktionen ist der obligatorisch-mutualistische Austausch von Metaboliten. Diese Form von metabolischer Verschränkung führt zu einer notwendigen kooperativen Koexistenz zwischen den jeweiligen Metaboliten austauschenden Organismen. Ein Beispiel, um ihre Relevanz zu verdeutlichen, ist, dass derartiger Interaktionen vermutlich eine entscheidende Rolle in der frühen Evolution von eukaryotischen Zellen gespielt haben. Ein adäquates Verständnis dieser evolutionären Dynamik, welche dazu führte, dass zwei ursprünglich autonome Organismen in ein Verhältnis der wechselseitigen und obligatorischen Abhängigkeit eintreten, ist bislang nicht gegeben. Derartige Gemeinschaften sehen sich mit diversen Herausforderungen konfrontiert. Zu nennen sind hier beispielweise die unkontrollierte Zerstreuung von Metaboliten oder die Infiltrierung der Gemeinschaft durch nicht-kooperative Organismen. Um ein tiefgehenderes Verständnis dieser Gemeinschaften zu entwickeln, ist es erforderlich, die Strategien zu untersuchen, mit denen sie den zuvor genannten Herausforderungen begegnen. In der vorliegenden Arbeit gingen wir diesen Fragen nach, indem eine zweiteilige synthetische Gemeinschaft von auxotrophen E. coli und S. cerevisiae Stämmen etabliert wurde, welche notwendigerweise bidirektionalen Metaboliten-Austausch (´cross-feeding‘) betreiben muss. Darauffolgend wurde das Wachstum von einer der getesteten Gemeinschaften durch einen iterativen Zyklus von Wachstum und Verdünnung stark verbessert. Eine derartige Verbesserung konnte zu großen Teilen durch die Präsenz von vier hochfrequentierten Mutationen erläutert werden. Es ist hervorzuheben, dass diese Mutationen ihren Vorteil lediglich unter Cross-Feeding-Bedingungen entfalten, was das Vorhandensein einer weiteren Reihe von vorteilhaften Mutationen nahelegt, welche nur unter cross-feeding Bedingungen auftreten. Interessanterweise führte eine Gruppe von Mutationen zu der Reduktion der Fähigkeit zur Ammonium-Assimilation in den Hefe-Partnern, was potentiell zu einer höheren Abhängigkeit von dem Bakterium führt. Sofern weitere Experimente diese Beobachtung wiederholen, kann dies als eine Bestätigung dafür angesehen werden, dass obligatorisch-mutualistische Gemeinschaften den Grad ihrer Verschränkung weiter verstärken können. Unter Verwendung eines weiteren cross-feeding Paars konnten wir den Einfluss von Aggregation, Motilität und Chemotaxis für obligatorisch-mutualistische Gemeinschaften unter turbulenten Umweltbedingungen untersuchen. Konkurrenz-Experimente ermöglichten es uns zu demonstrieren, dass Zell-Zell-Adhäsion und daraus folgende Aggregation einen Fitness-Vorteil für die bakteriellen Partner darstellen. Dieser Vorteil wird durch den Effekt von Motilität verstärkt. Im Gegensatz dazu konnte unter selbigen Bedingungen kein Vorteil durch Chemotaxis festgestellt werden. Durch die Einführung eines manipulierten ´Cheater-Stamms` konnte die Relevanz von Aggregation und Motilität als Schutz gegen nicht kooperative Organismen in Form der Reduktion des Eindringens letzterer in die Gemeinschaft nachgewiesen werden.