Systembiologie mikrobieller Gemeinschaften

Metabolische Modellierung von anaerober Vergärung für die Biogasproduktion (McBiogas)

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Foto: Sebastian Wiedling

Forschungsthema


Ein Mikroorganismus kommt selten allein …

In der natürlichen Umwelt kommen Mikroorganismen selten in Isolation vor. Vielmehr ist die Koexistenz von Mikroben in hochdiversen Gemeinschaften der Normalzustand. Dies ermöglicht vielfältige Interaktionen innerhalb der Gemeinschaft und macht komplexe Transformationsprozesse möglich, etwa die Umwandlung von organischem Material zu Methan unter anaeroben Bedingungen. Dieser in Biogasanlagen ablaufende mehrstufige Prozess wird bereits durch mathematische Modelle beschrieben, um eine optimale Steuerung zu ermöglichen. Jedoch betrachten bestehende Modelle nur vereinfachte Prozessschritte und berücksichtigen nicht die hohe Diversität der mikrobiellen Gemeinschaften. Sowohl deren Zusammensetzung als auch ihre Aktivität lassen sich mittlerweile durch kultivierungsunabhängige Methoden wie Metagenomik, Metatranskriptomik und Metaproteomik hochauflösend messen. Ziel der Arbeitsgruppe ist es, solche Hochdurchsatzdaten für eine präzisere Modellierung des metabolischen Geschehens einzusetzen. Dazu werden detaillierte metabolische Netzwerke von am Prozess beteiligten Mikroorganismen erstellt und zu einem dynamischen Gesamtmodell mittels dynamischer Flux-Balance-Analysis gekoppelt. Die Vorhersagefähigkeit eines solchen Modells erlaubt es schließlich, Prozessstörungen frühzeitig erkennen und wirksam gegensteuern zu können und ermöglicht das Ausloten von Flexibilisierungspotentialen, um so die Biogaserzeugung möglichst effizient zu gestalten.

Die systembiologische Herangehensweise im McBiogas Projekt erfordert die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen experimentellen und theoretischen Arbeiten. Dabei betreiben wir Biogasreaktoren im Labormaßstab als experimentelle Systeme, entwickeln bioinformatische Methoden für die Erstellung von metabolischen Netzwerkmodellen und entwerfen Konzepte sowie Software für die Simulation von mikrobiellen Gemeinschaften.

Doktoranden/-innen

Fabian Bonk

Daniela Taraba


Studenten/-innen

Sophia Klink

Tatjana Malycheva
 

Hiwis

Vivien Wieczorek

Tarek M.M. Hamed Elzamel
 

Schüler

Tom Rother (Besondere Lernleistung)

Experimentelle Biogasforschung

Wir betreiben Biogasreaktoren im Labormaßstab um ausgewählte Aspekte der Biogaserzeugung zu beleuchten. Neben der standardmäßigen Prozessanalytik liegt unser Fokus auf der Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft, die mittels Metagenomik, Metatranskriptomik, Metaproteomik, Flowcytometry und Mikrokalorimetrie aufgezeichnet und bioinformatisch ausgewertet wird.

Ansprechpartner:

Fabian Bonk, Daniela Taraba, Denny Popp, Florian Centler

Kooperationspartner:

Sabine Kleinsteuber, Heike Sträuber, Thomas Maskow, Martin von Bergen, Nico Jehmlich, Susann Müller

Modellierung mikrobieller Gemeinschaften

Wir entwickeln mathematische Modelle, die die Dynamik einer mikrobiellen Gemeinschaft beschreiben können, mit dem Fokus auf metabolischen Prozessen. Dazu kommen differentialgleichungsbasierte Ansätze, auf metabolischen Netzwerken basierende Methoden (Flux-Balance-Analysis) und Kopplungen von beiden zum Einsatz.

Ansprechpartner:

Florian Centler, Denny Popp, Fabian Bonk

Kooperationspartner:

Steffen Klamt (MPI Magdeburg), Sabine Koch (MPI Magdeburg), Dirk Benndorf (Uni Magdeburg), Sören Weinrich (DBFZ)

Raumzeitliche Modellierung

Raum spielt eine essentielle Rolle für natürliche mikrobielle Systeme. Im Rahmen des TWIN-Projektes entwickeln wir experimentelle Systeme und raumzeitliche Modelle zur Untersuchung von funktionaler Stabilität und Resilienz. Individuen-basierte Ansätze kommen bei der Analyse von Bakterien-Bakterien und Bakterien-Pilz Interaktionen zum Einsatz.

Ansprechpartner:

Florian Centler

Kooperationspartner:

Lukas Wick, Martin Thullner, Karin Frank, Thomas Banitz, Sara König, Tom Berthold, Matthias Kästner, Anja Miltner, Anja Worrich

Netzwerkanalyse von Gemeinschaften

Räumlich oder zeitlich aufgelöste Daten zur Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften können Hinweise zu Organisationsprinzipien mikrobiellen Lebens geben. Durch Co-occurrence Analysen wird das komplexe Zusammenspiel als Netzwerkstruktur sichtbar und kann mit Methoden der Netzwerkanalyse und des Dataminings näher untersucht werden.
Ansprechpartner:

Florian Centler

Kooperationspartner:

Annelie Wendeberg, Annelie Steinbach, Torsten Jeske, Lukas Wick, Michael Schloter (Helmholtz-Zentrum München)

In Silico Metabolic Engineering

Näheres unter Masterarbeiten weiter unten.

Im Rahmen des HIGRADE Doktorandenprograms bieten wir eine eintägige Einführung in die Systembiologie in Kooperation mit dem Department Molekulare Systembiologie an: Introduction to Systems Biology: From OMICS data analysis to metabolic network modeling. Näheres dazu und Anmeldemöglichkeit auf den HIGRADE Webseiten.

Nächster Termin: 21.09.2017

Alumni

Masterstudenten: Stefan Bauer, Paul Jähne, Lukas Hirsch

Bachelorstudenten: Robin Goldmann, Eric Witt

Praktikanten: Piotr Jachimowicz, Amit Nain, Ahmad  Zino

Hiwis: Athaydes Francisco Leite, Daniela Pietzsch, Malte Stadtmann, Josephine Hörner, Nicole Thiemich


McBiogas for the win!
3rd International Conference on Monitoring and Process Control of Anaerobic Digestion Plants: McBiogas und Team gewinnen Poster Slam. (c) DBFZ
September 2016: Systembiologie goes HIGRADE
September 2016: Systembiologie goes HIGRADE - 1. Kurs zur Systembiologie im Rahmen unserer Graduiertenschule HIGRADE
Mitte 2016: McBiogas bei der Langen Nacht der Wissenschaften
Mitte 2016: McBiogas bei der Langen Nacht der Wissenschaften
Mitte 2016: Gruppen Retreat, viel Essen und viele Ideen
Mitte 2016: Gruppen Retreat, viel Essen und viele Ideen
Mitte 2016: UMB Department Fotowand Prank ; )
Mitte 2016: UMB Department Fotowand Prank ; )
Mitte 2016: Unsere Gruppen-Kollage für das UMB Department mit 3D-Bildern und Rap
Mitte 2016: Unsere Gruppen-Kollage für das UMB Department mit 3D-Bildern und Rap
Mitte 2016: Daniela Taraba (Doktorandin), Denny Popp (Post-Doc) und Paul Jähne (Masterand) machen das Team komplett
Mitte 2016: Daniela Taraba (Doktorandin), Denny Popp (Post-Doc) und Paul Jähne (Masterand) machen das Team komplett

UMB Department Exkursion 2016

Mitte 2015: Die Gruppe wächst mit Fabian Bonk (Doktorand) und Lukas Hirsch (Masterand)
Mitte 2015: Die Gruppe wächst mit Fabian Bonk (Doktorand) und Lukas Hirsch (Masterand)
Anfang 2015: Die McBiogas-Reise beginnt!
Anfang 2015: Die McBiogas-Reise beginnt!

  • Outstanding Poster Award - 15th IWA World Conference on Anaerobic Digestion (AD15-2017), Oktober 2017, Beijing, China
  • Young Investigator Group Award - e:Bio Status Seminar 2017 BMBF, September 2017, Dresden, Germany
  • Best Poster Pitch - HIGRADE Conference 2017, Mai 2017 Leipzig
  • Best Poster Prize - 3rd International Conference on Biogas Microbiology (ICBM3), Mai 2017, Wageningen, Niederlande
  • Best Poster Slam - 3rd International Conference on Monitoring and Process Control of Anaerobic Digestion Plants, März 2017, Leipzig


Offene Themen

Wir bieten interessante Themen für Abschlussarbeiten im Umfeld der mathematischen Modellierung und theoretischen Analyse mikrobieller Gemeinschaften an, sowie Laborarbeiten wie der Durchführung von Experimenten mit Biogasreaktoren sowie der Charakterisierung von Reaktorproben mit molekularbiologischen Methoden. Kontaktieren Sie uns gerne falls Sie an metabolischer Netzwerk-Simulation und Netzwerkanalyse, individuen-basierter Modellierung oder der Entwicklung von bioinformatischen Tools interessiert sind. Ebenso bieten wir praktische Arbeiten im Labor an. Näheres dazu hier.

Wir suchen derzeit Studenten für die Bearbeitung verschiedener Themen:

1. Dynamiken mikrobieller Gemeinschaften in Biogasreaktoren Ausschreibung

2. Erstellung metabolischer Netzwerkmodelle aus Genomdaten Ausschreibung

Kontakt


Laufende Arbeiten

Masterarbeit: "Molekularbiologische Charakterisierung von NH3-inhibierten Biogasreaktoren" (Sophia Klink)

Proteinreiche Substrate wie Dung führen zu einer Akkumulation von toxischem Ammoniak, das in die Zellen diffundieren und eine starke Stoffwechselhemmung auslösen kann. Vor allem die Anreicherung flüchtiger organischer Säuren, insbesondere Essigsäure, ist für einen gestörten Prozessablauf charakteristisch.
Im Rahmen dieser Masterarbeit soll die Auswirkung von Ammoniakinhibierung auf die Zusammensetzung und Aktivität dieser mikrobiellen Gemeinschaften molekularbiologisch untersucht werden.

Masterarbeit: "Der Effekt von Propionsäure auf den anaeroben Vergärungsprozess" (Tatjana Malycheva)

Der Effekt von erhöhten Propionsäurekonzentrationen auf die mikrobiellen Gemeinschaften in Biogasreaktoren soll untersucht werden. Dazu werden vereinfachte Biogasreaktoren im Labormaßstab betrieben und die mikrobiellen Gemeinschaften mit molekularbiologischen Methoden untersucht.


Abgeschlossene Arbeiten

2017

Stefan Bauer: "Vergleich von Methoden zur Quantifizierung von Biomasse eines Biogasreaktors", Masterarbeit, Universität Kassel

Robin Goldmann: "Molekularbiologische Analyse mikrobieller Gemeinschaften in Biogasreaktoren", Bachelorarbeit, Universität Leipzig

2016

Paul Jähne: "Optimierung von in silico metabolic engineering Strategien mit evolutionären Algorithmen unter Verwendung von CUDA", Masterarbeit, HTWK Leipzig

Lukas Hirsch: "Dynamische Modellierung zur Erstellung mikrobieller Interaktionsnetzwerke aus Durchflusszytometriedaten", Masterarbeit, Universität Leipzig

Eric Witt: "Molekularbiologische Charakterisierung von mikrobiellen Gemeinschaften im Biogasreaktor", Bachelorarbeit (in Kooperation mit der AG Mikrobiologie anaerober Systeme), Universität Leipzig


Förderung

Die Nachwuchsforschungsgruppe wird vom BMBF gefördert.

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