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

Daniela Becker (geb. Taraba)

Rodrigo Amarante Colpo


Studenten/-innen

Florian Schmidt

Jia Fu

 


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:

Denny Popp, Daniela Taraba, 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

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.

 Siehe die englische Sprachversion der Seite.

2019

Denny Popp, Florian Centler. µbialSim: constraint-based dynamic simulation of complex microbiomes. bioRxiv doi.org/10.1101/716126

Sören Weinrich, Sabine Koch, Fabian Bonk, Denny Popp, Dirk Benndorf, Steffen Klamt, Florian Centler. Augmenting biogas process modeling by resolving intracellular metabolic activity. Frontiers in Microbiology 2019 10:1095 doi: 10.3389/fmicb.2019.01095

Fabian Bonk, Denny Popp, Sören Weinrich, Heike Sträuber, Daniela Becker, Sabine Kleinsteuber, Hauke Harms, Florian Centler. Determination of Microbial Maintenance in Acetogenesis and Methanogenesis by Experimental and Modeling Techniques. Frontiers in Microbiology. 2019 10:166 doi: 10.3389/fmicb.2019.00166

2018

Fabian Bonk, Denny Popp, Sören Weinrich, Heike Sträuber, Sabine Kleinsteuber, Hauke Harms, Florian Centler. Ammonia inhibition of anaerobic volatile fatty acid degrading microbial communities. Frontiers in Microbiology. 2018 9:2921 doi: 10.3389/fmicb.2018.02921

Fabian Bonk, Denny Popp, Sören Weinrich, Heike Sträuber, Sabine Kleinsteuber, Hauke Harms, Florian Centler. Intermittent fasting for microbes: how discontinuous feeding increases functional stability in anaerobic digestion. Biotechnology for Biofuels 2018 11:274 doi: 10.1186/s13068-018-1279-5

Fabian Bonk*, Denny Popp*, Hauke Harms, Florian Centler. PCR-based quantification of taxa-specific abundances in microbial communities: Quantifying and avoiding common pitfalls. Journal of Microbiological Methods. 2018 153:139-147 doi: 10.1016/j.mimet.2018.09.015 (*geteilte Erstautorenschaft)

Eigene Lehrveranstaltungen:

HIGRADE-Kurs Introduction to Systems Biology: From OMICS data analysis to metabolic network modeling.

Nächster Termin: Herbst 2019

Develop-Kurs Introduction to long read sequencing for (meta)genomics

Nächster Termin: 16. Januar 2020

Näheres dazu und Anmeldemöglichkeit auf den HIGRADE Webseiten.


Weitere Beteiligungen an Lehrveranstaltungen:

HIGRADE-Kurs Fluxomics - Quantifying the Metabolic Phenotype

Develop-Kurs Introduction to Amplicon and Metagenome Analyses

TU Dresden Continuous Bioprocesses: Anaerobic Digestion  - Vorlesung und Übung (WS Denny Popp)

Universität Leipzig Quantitative Biologie für eine nachhaltige Umwelt- und industrielle Biotechnologie - mehrere Vorlesungen und Übung (SS Florian Centler, Denny Popp)

Alumni

Doktoranden: Fabian Bonk

Masterstudenten: Stefan Bauer, Paul Jähne, Lukas Hirsch, Sophia Klink, Tatjana Malycheva, Eric Witt, Stephanie Otto, Sebastian Luhnburg, Martin Graf, Anna Weimer

Bachelorstudenten: Robin Goldmann, Eric Witt

BeLL-Schüler: Tom Rother

Praktikanten: Salomé Herbin, Emine Ceren Özveri, Hamna Saleem, Piotr Jachimowicz, Amit Nain, Ahmad Zino

Hiwis: Vivien Wieczorek, Athaydes Francisco Leite, Daniela Pietzsch, Malte Stadtmann, Josephine Hörner, Nicole Thiemich, Tarek M.M. Hamed Elzamel


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
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Mitte 2016: Gruppen Retreat, viel Essen und viele Ideen
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Mitte 2016: UMB Department Fotowand Prank ; )
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Mitte 2016: Unsere Gruppen-Kollage für das UMB Department mit 3D-Bildern und Rap
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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)
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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.

Kontakt


Laufende Arbeiten

Masterarbeit: "Metabolische Netzwerkrekonstruktion und Flux-Balance-Analysen mikrobieller Gemeinschaften" (Jia Fu, Universität Leipzig)

Es werden metabolische Netzwerke rekonstruiert von Mikroorganismen, die für den Biogasprozess relevant sind, auf Basis derer Genome. Die anschließende Simulation dieser Netzwerkmodelle per Flux-Balance-Analysis erfolgt nicht nur separat für jeden Mikroorganismus sondern für die Gemeinschaft an Mikroorganismen, die an der Biogasbildung beteiligt ist.

Masterarbeit: "Metaanalyse bakterieller Gemeinschaften in Biogasreaktoren" (Florian Schmidt, Universität Leipzig)

Hunderte Studien, in denen die bakteriellen Gemeinschaften in Biogasreaktoren charakterisiert wurden, wurden bereits veröffentlicht. Ziel ist es diese Ergebnisse zusammenzufassen und eine Metaanalyse durchzuführen.


Abgeschlossene Arbeiten

2019

Anna Weimer, "Anaerober Abbau von flüchtigen, organischen Fettsäuren in kontinuierlich betriebenen Biogasreaktoren bei sehr kurzen hydraulischen Verweilzeiten", Masterarbeit, Universität Lund, Schweden

Martin Graf, "Kombinierte Analyse relativer Multiomic-Messreihen zur Feststellung mikrobieller Interaktionen und metabolischer Netzwerken", Masterarbeit, Universität Osnabrück

Sebastian Luhnburg "Charakterisierung von Dynamiken mikrobieller Gemeinschaften durch kombinierte Analyse von Durchflusszytometrie- und Amplikon-Sequenzierungsdaten", Masterarbeit, Universität Leipzig

2018

Tom Rother, "Metagenomische Analyse komplexer mikrobieller Gemeinschaften mittels Hybridsequenzierung", Besondere Lernleistung (BeLL), Wilhelm-Ostwald-Gymnasium, Leipzig

Stephanie Otto, "Anaerober Abbau von flüchtigen organischen Säuren in kontinuierlich betriebenen Biogasreaktoren bei sehr kurzen Verweilzeiten", Masterarbeit, HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen

Eric Witt, "Creation of metabolic network models from genome data", Masterarbeit, Universität Leipzig

Tatjana Malycheva, "Anaerobe Vergärung von Propionsäure: Dynamik mikrobieller Gemeinschaften und Kinetik der Propionsäureoxidation", Masterarbeit, Universität des Saarlandes

Sophia Klink: "Molecular Biological Analysis of Biogas Reactors under Ammonia Inhibition", Masterarbeit, LMU München

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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