Wohin steuert unsere Gesellschaft? Wie können Infektionskrankheiten besiegt werden? Was hilft der Industrie, innovativ und nachhaltig zu produzieren? Wie können wir Artenvielfalt schützen und den Klimawandel bremsen? Unter dem Motto LIGHT, LIFE, LIBERTY – Connecting Visions stellen sich Forscherinnen und Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena den drängenden Fragen unserer Zeit. Antworten darauf finden sie in exzellenten interdisziplinären Projekten, im Verbund mit außeruniversitären Forschungsinstituten in Jena und mit starken Partnern in aller Welt. Beim forschenden Blick in die Zukunft sind Visionen in Jena ausdrücklich erwünscht.

Ein Fichtenbäumchen und ein Pilz (Bärtiger Ritterling) in symbiotischer Lebensgemeinschaft: Die Baumwurzel wird vom Pilz mit Wasser und Mineralstoffen aus dem Boden versorgt. Im Gegenzug erhält der Pilz organische Substanzen vom Baum. Wie es Mikroorganismen gelingt, mit anderen Organismen und ihrer Umwelt im Gleichgewicht zu leben, das steht im Fokus des Exzellenzclusters »Balance of the Microverse«. © Jan-Peter Kasper

Weltgemeinschaft im Gleichgewicht – was Menschen von Mikroben lernen können

Sie sind die Herrscher unserer Welt: Mikroorganismen waren nicht nur die ersten Lebewesen auf der Erde. Sie sind bis heute auch die erfolgreichsten. Bakterien, Pilze und Mikroalgen besiedeln jeden Lebensraum und stellen gut zwei Drittel der gesamten Biomasse auf der Erde. Und vor allem: Alle höheren Organismen – einschließlich uns Menschen – könnten ohne die Winzlinge nicht überleben.

"Lebensvorgänge und Umweltprozesse sind von komplexen Mikroben-Gemeinschaften abhängig", sagt Prof. Dr. Axel Brakhage von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. "Mikroorganismen beeinflussen Ökosysteme, die Fruchtbarkeit von Böden und die Qualität von Gewässern." Aber auch die Gesundheit von Menschen, Tieren und Pflanzen hängt von den Lebensgemeinschaften der Mikroorganismen ab. Wie solche Mikrobiome funktionieren und wie es Mikroorganismen schaffen, untereinander, mit anderen Organismen und ihrer Umwelt im Gleichgewicht zu leben, das erforschen Jenaer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Exzellenzcluster "Balance of the Microverse", dessen Sprecher Brakhage ist. Der an der Friedrich-Schiller-Universität Jena angesiedelte Forschungscluster geht den übergreifenden Prinzipien im Universum der kleinsten Lebewesen nach. Forschungsteams aus ganz Jena, darunter vom Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie, kooperieren dabei und arbeiten mit Partnern weltweit zusammen, auch um aus der Balance geratene Mikrobiome wiederherzustellen.

»Wenn wir uns fragen, wie wir den Klimawandel bremsen, müssen wir als Erstes die Dynamik der Mikrobiome grundlegend verstehen.« Prof. Dr. Kirsten Küsel Die Ökologin und ihr Team forschen im Exzellenzcluster »Balance of the Microverse« an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. © Anne Günther

 

"Konkret lässt sich das am Grundwasser aufzeigen", sagt Prof. Dr. Kirsten Küsel, die mit ihrem Team im Microverse-Cluster forscht. "Über den Boden gelangen gerade nach starkem Regen immer mehr Verunreinigungen, Medikamente, aber auch Dünger aus der Landwirtschaft in das Grundwasser. Dadurch wird das Gleichgewicht der darin lebenden mikrobiellen Gemeinschaften ständig gestört. Ohne eine intakte Mikroflora aber, die unser Grundwasser reinigt, ist über kurz oder lang die Qualität des Trinkwassers gefährdet. Deshalb ist es so wichtig, das mikrobielle Gleichgewicht im Grundwasser wiederherzustellen."

Die Hälfte der weltweiten CO2-Bindung und Sauerstoffproduktion übernehmen mikroskopisch kleine Algen und Cyanobakterien im Meer.
20 Minuten braucht das Darmbakterium Escherichia coli unter idealen Bedingungen, um sich zu verdoppeln. Andere Bakterienarten teilen sich schätzungsweise nur alle 1.000 Jahre.
38 Billionen Bakterien besiedeln einen Menschen durchschnittlich. Diese Zahl übersteigt damit die Anzahl seiner Körperzellen, die etwa 30 Billionen beträgt.

 

Was haben Mikroben mit dem Weltklima zu tun?


Aktuell untersuchen Küsel und ihre Kollegin Dr. Karel Castro-Morales, wie sich steigende Temperaturen und der dadurch auftauende sibirische Permafrostboden und seine Erosion auf die Prozesse in arktischen Flüssen auswirken. Diese haben einen wesentlichen Einfluss auf das Weltklima. Denn: Im Permafrost sind riesige Mengen Kohlenstoff in Form abgestorbener Pflanzenreste gespeichert. Steigende Temperaturen führen dazu, dass der Boden auftaut und darin lebende Mikroorganismen die Pflanzenreste abbauen. Dabei werden nicht nur enorme Mengen CO2 freigesetzt, sondern auch Methan – ein wesentlich schädlicheres Treibhausgas als CO2. "Wenn wir uns also fragen, wie wir den Klimawandel bremsen oder sogar stoppen können, dann müssen wir die Dynamik solcher Mikrobiome grundlegend verstehen", sagt Küsel.

 

Was tun gegen multiresistente Keime?

 

Andere Forschungsteams im Jenaer Exzellenzcluster untersuchen das menschliche "Mikroversum". In der Mundhöhle, im Darm und auf der Haut jedes Menschen siedeln ganz individuelle Mikroben-Gemeinschaften. Gerät zum Beispiel das Mikrobiom des Darms aus dem Gleichgewicht, etwa nach Antibiotikaeinnahme, kann das verheerende Folgen haben: Harmlose Darmbewohner werden dann zu gefährlichen Keimen; immungeschwächten Menschen droht eine lebensgefährliche Sepsis. Immer mehr Erreger sind zudem gegen Antibiotika resistent – Infektionen mit multiresistenten Keimen sind nicht mehr behandelbar. Genau hier setzen die Arbeiten der Forscher an: Sie entwickeln Analyse- und Bildgebungsverfahren, um die chemisch vermittelten Interaktionen von Mikroorganismen zu beobachten und Erreger schnell und eindeutig zu identifizieren. Antibiotika können so zielgerichteter eingesetzt und die Entwicklung von Resistenzen verringert werden.



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