Wie können Kleinstlebewesen dazu dienen, in Zukunft die Nahrungsproduktion zu sichern? Das untersucht das EU-Forschungsprojekt „Simba“. Zu den 23 Projektpartnern aus elf Ländern gehört das Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld. „Wir befassen uns mit Mikrobiomen – das sind Gemeinschaften von Kleinstlebewesen wie Bakterien und Pilze“, sagt Dr. Alexander Sczyrba, Leiter einer CeBiTec-Forschungsgruppe und zuständig für ein Simba-Teilprojekt.
„Mikrobiome gibt es überall auf der Welt – in Äckern, Biogasanlagen, Aquafarmen oder auch im Magen-Darm-Trakt von Menschen. In diesen Gemeinschaften arbeiten Mikroben gewissermaßen zusammen und sorgen für besondere Effekte, die wir uns zunutze machen wollen.“ So können Bakterien-Gemeinschaften in Böden Nährstoffe für Pflanzen zugänglich machen, sodass Weizen, Kartoffeln oder Tomaten besser gedeihen. Auch können sie die Pflanzen vor krankmachenden Mikroorganismen schützen. In Biogasanlagen zersetzen Mikrobiome Gülle oder nachwachsende Rohstoffe so, dass der Biokraftstoff Methan entsteht. Die Darmflora – das Mikrobiom im Magen-Darm-Trakt – schützt je nach Zusammensetzung vor Krankheiten und Vergiftungen.
Suche nach nützlichen Genen
Alexander Sczyrba ist Spezialist für die bioinformatische Auswertung von Metagenomen. Das Genom ist das gesamte Erbgut eines Lebewesens, ein Metagenom enthält die DNA-Information aller Organismen eines Mikrobioms. „Wir haben es also nicht mit den Daten des Erbguts von einem Bakterium zu tun, das wäre ein Genom. Vielmehr arbeiten wir mit einer Kette von DNA-Daten tausender Mikroben, die in einer Probe vorkommen“, sagt Sczyrba.
Im Labor wird dafür zum Beispiel die DNA der Mikroorganismen in einem Sequenziergerät untersucht, die in besonders fruchtbaren Kartoffeläckern gefunden werden. Das Gerät entschlüsselt die DNA-Basen, das sind die vier „Buchstaben“, mit denen der Bauplan der Mikroben im Erbgut kodiert ist. Heraus kommen mehrere hundert Millionen Sequenzen. „Diese Teilstücke müssen nun in die richtigen Reihenfolge gebracht werden“, erklärt Sczyrba. Er beschreibt die Sequenzen wie Stücke eines Bindfadens, auf dem Buchstaben notiert sind. „Mit unseren Methoden schaffen wir es, zurückzuverfolgen, wie die Teile miteinander verbunden waren. So bekommen wir eine Abfolge von Daten, die nicht nur das Erbgut einer Mikrobe, sondern idealerweise aller Mikroben aus der Probe darstellt.“ Im nächsten Schritt rechnen die Forschenden heraus, wo auf dem „Faden“ die Gen-Informationen eines einzelnen Bakteriums beginnen und wo sie aufhören. „Danach bestimmen wir, welche Funktion das jeweilige Bakterium in seinem Mikrobiom hat.“ So gibt es Aquafarmen mit Bakterien, die das giftige Ammoniak aus dem Fischkot in Nitrit umwandeln können. Eine andere Sorte Bakterien wandelt den Stoff wiederum in unschädliches Nitrat um. „Mit einem Abstrich von der Haut des Fisches können wir ermitteln, welche Gene im Erbgut der Bakterien zu diesem positiven Effekt führen.“ Nicht nur die Wasserqualität, auch die Verdauung der Fische lässt sich mit Mikrobiomen verbessern. So könnten Mikrobiome aus dem Verdauungstrakt von Fischen, die ihre Nahrung besonders gut verwerten, auf Artgenossen übertragen werden.
Außerdem analysieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, welche Partnerschaften von Mikroorganismen zusammenhängen, welche Genome also immer zusammen vorkommen.
Anwendung in Nahrungsproduktion
Für die Analysen müssen die Forschenden nur in wenigen Fällen neue Proben beschaffen. „In der Biologie ist es seit mehr als 30 Jahren üblich, genetische Informationen über Datenbanken frei verfügbar zu machen. Es gibt somit schon Unmengen von Daten zu Mikrobiomen, die wir verwenden können“, sagt Sczyrba.
Das Simba-Projekt soll als Ergebnis ebenfalls eine öffentlich zugängliche Datenbank liefern. Sie enthält die Daten von Mikrobiomen, die nützliche Funktionen in der Nahrungsproduktion bieten. Mit den Informationen aus dieser Übersicht könnten Agarunternehmen zum Beispiel einen Bakterien-Mix entwickeln, mit dem Ackerböden geimpft werden können. Durch den Klimawandel drohen Ackerböden zu versalzen. Bakterien könnten etwa Weizen und anderen Anbaupflanzen helfen, mit Salzböden zurechtzukommen. Auch Lebensmittelhersteller könnten die Forschungsergebnisse nutzen und zum Beispiel Drinks mit Bakterien-Gruppen herstellen, die als Teil der Darmflora Vitamine oder ungesättigte Fettsäuren produzieren.
Rechner-Cloud für die Analysen
Am CeBiTec arbeitet Sczyrbas Forschungsgruppe für Simba mit der Gruppe von Professor Dr. Alfred Pühler zusammen. Während Sczyrba und sein Team die bioinformatische Analyse von Metagenomen beherrschen, kennt sich Pühlers Gruppe vor allem damit aus, wie sich Mikroorganismen industriell einsetzen lassen. So sind Pühler und sein Mitarbeiter Dr. Andreas Schlüter an Projekten beteiligt, um optimale Mikrobiome für Biogasanlagen zu identifizieren.
Für ihre Berechnungen nutzen die Bielefelder Forschenden die „de.NBI-Cloud“ – ein System aus Hochleistungsrechnern mit mehr als 16.000 Prozessoren und Analysesoftware für genetische Daten. Die Universität Bielefeld ist einer von sechs Standorten, die die Cloud betreiben. Verantwortlich für die Cloud ist das Deutsche Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur (de.NBI), das seit 2015 am CeBiTec koordiniert wird. Das CeBiTec, gegründet 1998, gehört mit seinen rund 150 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu den größten zentralen wissenschaftlichen Einrichtungen der Universität Bielefeld. „Eine Besonderheit des CeBiTec ist, dass hier Bioinformatik und molekularer Biotechnologie miteinander verzahnt sind“, sagt Sczyrba. „Wir haben sowohl die Expertise, Big Data aus der Biologie auszuwerten, als auch mit den Erkenntnisse Mikroorganismen und Biomoleküle für die Industrie zu entwickeln.“
Die Europäische Kommission fördert Simba für vier Jahre bis Oktober 2022 als Teil des Forschungsrahmenprogramms Horizont 2020. Simba steht für „Sustainable Innovation of Microbiome Applications in the Food System“ (Nachhaltige Innovationen von Mikrobiom-Anwendungen im Nahrungssystem). Die 23 Forschungs- und Industriepartner kommen unter anderem aus Norwegen, Finnland, Italien und Irland. Das Finnische Institut für natürliche Ressourcen (Luke) koordiniert das Projekt. Simba wird mit insgesamt zehn Millionen Euro gefördert, 600.000 Euro gehen an die Universität Bielefeld.
