Etwas Licht ins Dunkel des Mikrobioms!

Ein Interview mit Olaf Larsen

Die Mikrobiom-Wissenschaft ist sehr frisch und Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen zu verstehen, wie wir unser Mikrobiom auf die beste Weise für unsere Gesundheit manipulieren können. Etwas, das ich sehr interessant fand, war ein völlig anderer Ansatz zum Verständnis des Mikrobioms durch den Biophysiker Olaf Larsen, der die große Komplexität des Mikrobioms aufgreift und es mit kleinen Schritten, aber auf systematische Weise anspricht. Ich hatte großes Glück, ihn auf der Microbiome Conference in Rotterdam zu treffen und ein Interview zu bekommen:

„Ich hatte einen philosophischen Moment, als ich an das Mikrobiom dachte, das immer noch eine Art Black Box ist. Wir haben ein Reservoir von Bakterien und fügen etwas hinzu, wie eine Diät oder Antibiotika, und wir haben ein Ergebnis, ein Signal, eine Abnahme an Butyrat, psychologische Veränderungen oder was auch immer.“ Olafs Idee war es, eine sehr einfache Methode zu schaffen, um zumindest ein bisschen Licht in diese Black Box unseres Mikrobioms zu bringen. Er arbeitete an einem Mechanismus, der die Interaktionen zwischen den Bakterien auf einer sehr grundlegenden Ebene modelliert. In seiner jüngsten Publikation hat er mit einem sehr einfachen Modell begonnen, das aus drei Bakterien (Knoten) besteht, die miteinander interagieren können. In seinem ersten Ansatz waren die Interaktionen zwischen den Bakterien ungerichtet. Betrachtet man jedes mögliche Interaktionsnetzwerk, so ergibt eine Bakteriengemeinschaft aus drei Arten nur 8 verschiedene mögliche Interaktionsnetzwerke. In seinem mechanistischen Ansatz fügte Olaf dem System ein Bakterium nach dem anderen zu, bis zu sieben Bakterien. Die Anzahl der möglichen Interaktionsnetzwerke steigt sehr schnell, wenn mehrere Arten eingeführt werden.

Nur 7 verschiedene Arten entsprechen bereits etwa 2,1 Millionen möglichen Interaktionsnetzwerken!

Indem Olaf für jedes Interaktionsnetzwerk alle Pfade von der ersten zur letzten Spezies im Netzwerk (bzw. 2, 3, ..., 7) berechnet, konnte gezeigt werden, dass die Diversität der Bakterienspezies dazu führt, dass das System beim Ausführen seiner Aufgabe effizienter wird. Dies bedeutet, je höher die bakterielle Diversität in einem System ist, desto weniger muss jedes einzelne Bakterium mit anderen Spezies interagieren, um am Ende das gleiche Signal aus dem System zu erhalten. Dies bedeutet, dass jedes Bakterium weniger Energie verbrauchen muss, da weniger Wechselwirkungen notwendig sind, um das gleiche Ergebnis zu erzielen - die Spezies sind eher in einem "entspannten" Zustand. Nach Olafs Berechnungen setzt Redundanz ein, wenn das System ~ 6 Arten erreicht. Dies bedeutet, dass ein System von 7 (oder mehr) Arten eine (oder mehrere) Arten "verlieren" kann, ohne an Effizienz einzubüßen. Mit anderen Worten, der Verlust einer (oder mehrerer) Bakterienspezies in einem diversen System fügt keine zusätzliche Belastung hinzu, um mit den Bakterienarten, die zurückbleiben, in Wechselwirkung zu treten.

Dieser mathematisch-mechanistische Ansatz zum Verständnis von Wechselwirkungen innerhalb unseres Mikrobioms zeigt, obwohl er sehr einfach gehalten wird, auf anschauliche Weise, dass eine hohe ökologische Vielfalt notwendig ist, um ein ökologisches System zu stabilisieren. Ein System kann für unsere Gesundheit von Vorteil sein, aber manche können auch unserem Körper schaden: „Die chronisch entzündliche Darmerkrankung ist ebenfalls ein sehr stabiles System, ist aber auch sehr schädlich für unsere Gesundheit.“

Diese Ergebnisse aus solch kleinen Modellsystemen sind ein erster Schritt zum Verständnis des enorm komplexen Mikrobioms und was passiert, wenn wir es durch Diäten, Antibiotika, Stress und so weiter manipulieren.

Olaf arbeitet bereits an der nächsten Publikation, in der er sein Modell näher an der Natur ausrichten wird, um schließlich natürliche Systeme zu modellieren und quantitative Informationen zu erhalten. Hoffen wir, dass Olafs Computer aufgrund der riesigen Rechenleistung, die er für seine Berechnungen benötigt, nicht zusammenbricht!

Ich bin sehr gespannt auf die zukünftige Forschung von Olaf zum Mikrobiom.

Danke Olaf für das Interview und für deine Geduld, einer einfachen Biologin wie mir die sehr abstrakten Berechnungen zu erklären!