Mikrobielle Gemeinschaften in Natur und Labor - Interview

Mein Name ist Ed DeLong, und ich bin Professor am Massachusetts Institute of Technology. Ich habe eigentlich eine Doppelanstellung in Bau- und Umweltingenieurwesen sowie in biotechnischer Ingenieurwissenschaft, was wie eine ungewöhnliche Kombination erscheinen mag, da ich gewissermaßen in zwei unterschiedlichen Bereichen tätig bin. Ein Aspekt unserer Forschung bezieht sich auf die Umwelt und insbesondere auf Mikroorganismen, darauf, wie sie die Umwelt beeinflussen und wie die Umwelt ihrerseits sie beeinflusst – das ist der Bereich des Bau- und Umweltingenieurwesens, der umweltbezogene Teil unseres Programms.

Die andere Sache, mit der wir uns beschäftigen, betrifft stärker die biologische Ingenieurwissenschaft. Was lässt Mikroben funktionieren? Wie sind sie aufgebaut?

Wie arbeiten die verschiedenen Bestandteile, aus denen ein Mikrobenmikroorganismus oder mikrobielle Gemeinschaften bestehen, synergistisch zusammen? Die Art der Allianz zwischen diesen beiden Fachgebieten funktioniert daher ziemlich gut. Mein eigener spezifischer Hintergrund liegt in der allgemeinen Mikrobiologie, kombiniert mit etwas Ozeanographie.

Ich habe meinen Abschluss in Bakteriologie an der UC Davis gemacht, meinen Bachelorabschluss. Danach habe ich meinen Doktortitel am Scripps-Institut für Ozeanographie erworben. Eigentlich war mein Doktortitel in Meeresbiologie, falls Sie das glauben können.

Und hier bin ich nun am MIT. Wie ist das passiert? Das Fachgebiet der Mikrobiologie hat sich wirklich rasch verändert.

Und einer der großen Einflüsse auf das, was wir heute über Mikroben verstehen, waren technologische Fortschritte im Bereich der Genomik. Mikroben sind typischerweise, wenn man sie unter dem Mikroskop betrachtet, sehr schwer zu identifizieren. Es gibt zwar unterschiedliche Formen und Größen, doch diese verraten einem nicht viel darüber, um welchen Organismus es sich handelt oder was er tut.

Und so waren Mikrobiologen üblicherweise weitgehend darauf beschränkt, Mikroben im Labor zu untersuchen, was äußerst wirkungsvoll war. Dies ist gewissermaßen eine Weiterentwicklung der medizinischen Mikrobiologie. Man kann also einen Mikrobenstamm aus der Umwelt isolieren, genau wie man eine chemische Substanz isolieren kann.

Und sobald man diesen reinen Mikrobenstamm, diese reine mikrobielle Art hat, kann man deren Phänotyp, deren Eigenschaften und die verschiedenen Merkmale untersuchen, die es ermöglichen, dass sie in der Umwelt funktioniert, und so weiter. Damit verbunden sind jedoch zwei Probleme, was das Verständnis der gesamten mikrobiellen Welt betrifft. Und zwar verhalten sich Mikroben im Labor nicht immer genauso, wie sie sich in der Umwelt verhalten könnten.

Und das andere, noch größere Problem besteht darin, dass mikrobielle Arten größtenteils nur schwer zu domestizieren sind. Die mikrobiellen Zoos, die wir im Labor haben, stellen typischerweise nur etwa 0,1 % dessen dar, was in der Natur vorhanden ist. Es gibt also einen riesigen Teil der mikrobiellen Welt, den wir bisher einfach nicht im Labor kultivieren konnten und dessen Funktionen wir daher nicht verstehen.

Und dennoch stellt dies den größten Teil der Biomasse in der Natur dar. Dafür gibt es zahlreiche Gründe. Einer der wichtigsten ist jedoch, dass Mikroben sozusagen die Triebkräfte für die Umwandlungen von Energie und Materie in der Natur sind.

So fließen Mengen von Dingen wie Treibhausgasen und Energie durch Ökosysteme, die im Verhältnis zu einigen dieser Gase, über die wir sprechen, enorm groß sind. Gigatonnen-Flüsse auf jährlicher Basis werden tatsächlich auf verteilte Weise durch mikrobielle Arten vermittelt, obwohl diese sehr klein sind. Es ist die Kraft der großen Anzahl und die verteilte Natur der mikrobiellen Welt über unseren gesamten Planeten, die große Mengen an Masse und Energie bewegt.

Und das ist ein überzeugender Grund dafür, Mikroben auf ihrem eigenen Gebiet zu verstehen, sie in der Natur zu erforschen. Sobald die Genomik in den Vordergrund rückte, wurde es immer einfacher und günstiger, ganze mikrobielle Genome zu sequenzieren. Natürlich setzte dies etwa Mitte der neunziger Jahre ein.

Und als dies einmal begann, erkannten die Menschen, dass man dieselben Techniken nutzen konnte, um etwas über die Eigenschaften von Genomen und Mikroben in der natürlichen Umwelt zu erfahren, ohne sie überhaupt kultivieren zu müssen. Dies ist gewissermaßen ein Ableger früherer Studien von Carl Woese und Norm Pace. In der Mitte der achtziger Jahre erkannte Norm Pace, dass er Mikroben identifizieren konnte, ohne sie kultivieren zu müssen.

Und die Vorgehensweise bestand darin, einen beliebigen mikrobiellen Lebensraum aufzusuchen, Biomasse zu isolieren und anschließend entweder DNA oder RNA aus diesen Nukleinsäuren zu extrahieren. Man konnte beispielsweise taxonomisch informative Moleküle wie ribosomale RNAs sequenzieren. Auf diese Weise erhielt man eine Liste unterschiedlicher ribosomaler RNAs.

Sie ähneln fast Strichcodes für bestimmte taxonomische Typen. Und man könnte die Arten von Mikroben in jedem beliebigen Lebensraum identifizieren. Die Einschränkung dieses Ansatzes besteht darin, dass man nur ein RN-Gen hat.

Es verrät Ihnen, um welches Mikroorganismus es sich handelt, aber nicht genau, was dieser gerade tut. Mit der Anwendung der Genomik können Sie dies nun jedoch weiter vertiefen: Sie können Nukleinsäuren aus nahezu jedem mikrobiellen Lebensraum, der Ihnen einfällt, isolieren und dabei eine Vielzahl von Techniken nutzen. Dabei können Sie entweder große Genomfragmente isolieren, was einige der experimentellen Protokolle sind, die wir Ihnen heute zeigen werden.

Oder Sie können diese DNA in kleine Stücke zerlegen und eine Shotgun-Sequenzierung durchführen. Am einfachsten stellen Sie sich das so vor, dass Sie eine Liste der Bestandteile aller Mikroben erhalten, aus denen diese Gemeinschaft besteht. Doch das ist eine Bestandteileliste, auf die wir zuvor niemals Zugriff hatten.

Aus dieser Liste von Bestandteilen können wir dann gewissermaßen entwirren, woraus die vorhandenen Mikroben bestehen und welche potenziellen Funktionen sie haben könnten. Letztendlich erzeugen wir tatsächlich Hypothesen, die wir anschließend mithilfe biochemischer Methoden überprüfen können, beispielsweise durch physiologische Untersuchungen oder durch die Verfolgung von Genen im Feld in Raum und Zeit.

Und dieser gesamte Bereich, der sich entwickelt hat und Genomik mit ökologischen Ansätzen verbindet, wird heute als Metagenomik oder Umweltgenomik bezeichnet. Heute findet man derartige Ansätze in vielen unterschiedlichen Lebensräumen, etwa in Böden, in landwirtschaftlichen Umgebungen und im Ozean. Eine der ersten und umfangreichsten Studien dieses Typs wurde von Craig Venter im Sargassomeer durchgeführt, ebenso von großer Bedeutung ist jedoch auch das humane Mikrobiom.

Die meisten Menschen sind sich dessen möglicherweise nicht bewusst, aber am menschlichen Körper befinden sich mehr mikrobielle Zellen als menschliche Zellen. Es gibt etwa 10 hoch 14 Mikroben und nur 10 hoch 13 von uns. Deshalb sage ich manchmal gerne: Gott muss eine übermäßige Vorliebe für Mikroben gehabt haben, denn von ihnen gibt es mehr als von uns.

Aber diese Konzepte sind wirklich wichtig. Denken Sie an uns. Wir sind niemals allein.

Wir haben stets eine mikrobielle Gemeinschaft bei uns, die vermutlich zahlreiche verschiedene Funktionen erfüllt. Es gibt inzwischen Hinweise darauf, dass tatsächlich bei bestimmten Störungen wie Adipositas die mikrobielle Komponente einen starken Einfluss auf das menschliche Phänotyp und darauf haben kann, wie viel Energie wir aus unseren Nahrungsquellen gewinnen – oder eben nicht. Wir sind also ein lebendes System, das nicht nur aus uns selbst besteht, sondern auch aus der Symbiose, wenn man so will, die wir mit uns tragen.

Was diese neuen Ansätze unter Verwendung der Genomik es uns ermöglichen, ist, jene Bereiche der biologischen Welt zu untersuchen, die wir zuvor nicht betrachten konnten. Und darin liegt ihre Kraft. Was derzeit in der Forschung geschieht, ist mehr als nur das Sammeln einer Liste biologischer Bestandteile, sondern es geht tatsächlich darum, das Verständnis dafür zu gewinnen, dass dynamische Prozesse ablaufen.

Als anfangs Genome sequenziert wurden, war natürlich eine einzelne Genomsequenz als singuläre Entität zu betrachten: Man hatte einen gereinigten Stamm eines Mikroorganismus, der über ein Genom verfügte, und konnte beispielsweise die 2 Millionen Basenpaare bestimmen, aus denen dieses Genom bestand. Und es schien eine sehr feste und statische Entität zu sein. Was wir jedoch feststellen, wenn wir in die Natur schauen, ist, dass es in der Tat selten so etwas wie einen einzelnen Stamm eines Mikroorganismus gibt.

Wenn man sich diese natürlichen mikrobiellen Populationen ansieht, stellt man fest, dass es ein Thema gibt, ein genomisches Thema, um das herum eine Art zusammengesetzt ist, sozusagen. Doch in jeder gegebenen Population existieren viele, viele, viele Varianten, zahlreiche Abwandlungen dieses Themas, viele Stämme. Und was wir zunehmend erkennen, ist, dass Genome keine statischen Gebilde sind, sondern sich stets verändern.

Sie sind dynamisch. Und tatsächlich tun sie dies in Populationen. Und Sie können sich vorstellen, dass, wenn es subtile Umweltveränderungen gibt, die beispielsweise mit Nährstoffen, Temperatur oder Salinität zu tun haben könnten, ein bestimmter Anteil dieser Varianten in der Population etwas besser auf diese Umweltveränderung reagieren kann.

Und es gibt eine ständige Verschiebung, aber auch sie verändern sich wiederum. So wird die Variation kontinuierlich durch neutralen Drift bereitgestellt und anschließend durch Selektion beeinflusst. Dies vermittelt ein anderes, dynamischeres Bild davon, was Genome sind.

Und es ist mehr wie ein bewegtes Bild des Genoms statt wie ein statisches Bild. Eines der beeindruckenden Elemente einiger neuer Studien besteht darin, dass wir nun anfangen, die Einzelbilder zu erhalten, um das bewegte Bild der Genom-Evolution zusammenzusetzen – was dies bezüglich des Phänotyps des Organismus bedeutet, wie er auf die Umwelt reagiert und wie er die Umwelt beeinflusst. Dies ist daher wirklich sehr aufregend, weil es ein neues Forschungsgebiet für die Populationsgenetik in der Mikrobiologie darstellt, das zwar als bereits gut ausgebaut erscheinen mag, tatsächlich aber nicht der Fall ist, da uns bisher eine Möglichkeit fehlte, die Genetik natürlicher mikrobieller Populationen detailliert zu untersuchen.

Und das ist ein weiterer Aspekt dieser Art von Forschung: Nun können wir uns eingehend mit der Populationsgenetik und der Populationsgenomik beschäftigen, um den „Film“ zu verfolgen. Und das ist äußerst aussagekräftig und hat zahlreiche praktische Konsequenzen für unser Verständnis darüber, wie Mikroorganismen Funktionen erwerben und wie Funktionen und Eigenschaften innerhalb von Gemeinschaften verbreitet werden. Eine überraschende Erkenntnis für uns bestand darin, dass sich dadurch unsere Vorstellung etwas verändert, wie phänotypische Eigenschaften, wie funktionelle Eigenschaften, zwischen Mikroorganismen wandern können. In der Biologie geschlechtlich fortpflanzender Organismen denken wir klassischerweise daran, dass Merkmale von der Mutter auf die Tochtergeneration und so weiter vererbt werden.

Und so werden biologische Eigenschaften über diese Art der genetischen Vererbung weitergegeben. Die mikrobielle Welt weist jedoch eine andere Dynamik auf, was wir zunehmend in einigen dieser metagenomischen Untersuchungen erkennen, die mit dem sogenannten lateralen Gentransfer zusammenhängen, bei dem Gene oder ganze Operons von sehr unterschiedlichen Organismen durch den Austausch von DNA übertragen werden. Wenn diese DNA im empfängenden Organismus exprimiert wird und einen positiven selektiven Wert besitzt, kann sie sich unter zahlreichen verschiedenen Organismen verbreiten. Kürzlich konnten wir dies mithilfe derartiger Techniken, wie wir sie im Labor untersuchen, beobachten. Die Funktionsweise besteht darin, dass wir in der Lage sind, sehr große genomische Fragmente aus mikrobiellen Populationen zu isolieren.

Und das tun wir zu verschiedenen Zeitpunkten und an verschiedenen Orten. In diesem Fall konnten wir große Genomabschnitte entlang eines Energiegradienten isolieren, nämlich des Lichtgradienten, der in den Ozean eindringt. Dieser Gradient ist in den von uns im offenen Ozean untersuchten Gebieten sehr gut definiert.

Die Pho-Zone ist tatsächlich ziemlich tief. Sie reicht bis zu 200 Meter unter die Meeresoberfläche. Dabei verändert sich jedoch die Energie natürlich in Qualität und Quantität.

Wenn Licht abgeschwächt wird, wird es mit zunehmender Tiefe blauer, sodass für Organismen, die in großer Tiefe leben, nur noch ein schmaleres Spektrum an Wellenlängen verfügbar ist. Außerdem ist die Lichtenergie geringer. Daher kann man untersuchen, wie sich Organismen, die Licht nutzen, an diesen Gradienten der Energie, der unterschiedlichen Lichtqualität und -quantität anpassen und verändern.

Das Interessante ist, dass man bestimmte Gene und die damit assoziierten Mikroorganismen entlang dieser Lichtgradienten verfolgen kann. Um es kurz zu machen: Wir fanden heraus, dass bestimmte Gene, die an der Nutzung von Lichtenergie beteiligt sind und als Rodopsine bezeichnet werden, äußerst einfach zu exprimieren sind und nur sehr wenige Gene benötigen, um das Photosystem zu bilden. Daher haben sie sich unter den unterschiedlichsten Mikroben verbreitet.

Der Grund, warum wir das behaupten können, liegt darin, dass wir Genomfragmente aus bekannten, sehr unterschiedlichen Gruppen isoliert haben, die so verschieden sind wie Bakterien und Archaea. Dabei stellen wir fest, dass das gleiche Photosystem mit nahezu identischen Eigenschaften vorliegt. So können Sie diese funktionellen Genabschnitte verfolgen, während sie zwischen Organismen in der Umwelt übertragen werden.

Es geht nicht nur darum, Gene auf Organismen abzubilden, sondern auch entlang des Umweltgradienten. Eine weitere Beobachtung, die wir machen, wenn wir uns diese großen Genomfragmente ansehen, die diese Photosysteme enthalten, ist, dass sie im Photobereich in Tiefen von etwa null bis 130 Metern recht häufig vorkommen. Doch wenn man an die Basis des Photobereichs und darunter gelangt, verschwinden diese Gene.

Sie sind verschwunden, obwohl dieselben Organismen in größerer Tiefe existieren. Und dies zeigt uns, dass in Abwesenheit von Selektion, das heißt in Abwesenheit von Licht, das es diesen Genen ermöglicht, zu funktionieren, sie bei verschiedenen Organismen als Funktion der Tiefe verloren gehen. Der Grund, warum dies interessant ist, liegt zunächst darin, dass es uns etwas über einen bestimmten, lichtabhängigen Energieerzeugungsmechanismus verrät, wo er in der Umwelt vorkommt, wie er unter Organismen verteilt ist und welche Dynamik ihn verbreitet.

Doch es ist auch allgemein interessant, eine neue Möglichkeit, darüber nachzudenken, wie Gene und Genome kartiert werden können, nicht nur bei Organismen, sondern auch hinsichtlich des Ortes und der Zeit, an bzw. zu dem diese Organismen vorkommen, sowie des Ortes und der Zeit, an bzw. zu dem diese Gene auftreten, und wo sich diese Bereiche überschneiden. Wir fangen gerade erst an, dies zu erlernen. Das war ein Beispiel für lediglich eine Gruppe von Genen.

Doch man könnte die allgemeine Frage stellen: Wie viele Kategorien dieser kosmopolitischen Gene, die sich gerne stark vermehren, gibt es? Wir kennen die Antwort auf diese Frage in keinem bestimmten Lebensraum, ebenso wenig wie ihre Häufigkeit oder die Mechanismen, die den Austausch dieser Gene ermöglichen. Handelt es sich um freie DNA in der Umwelt? Oder um Viren, die die Gene von Organismus zu Organismus verbreiten?

Das sind alles Dinge, die weitgehend unbekannt waren, die nun aber mit solchen Techniken zugänglich werden, bei denen Gene auf natürlich vorkommende Organismen abgebildet, diese Organismen anschließend auf die Umwelt bezogen und ihre Variabilität verstanden werden. Es ist also eine, es ist, es ist wirklich eine neue Zeit für die Mikrobiologie, und wir haben nun neuen Zugang dazu, den „Film“ der genomischen Dynamik in der Umwelt zu betrachten. Dadurch befinden wir uns tatsächlich in einer neuen Position, um besser zu verstehen, wie die mikrobielle Welt in der Natur tatsächlich funktioniert. Eine der Herausforderungen ist natürlich – und dies ist eine Herausforderung sowohl für die Umweltwissenschaft als auch, möchte ich sagen, für die biomedizinische Wissenschaft –, sämtliche relevanten Datentypen zu erfassen.

Und in diesem Fall beziehe ich mich auf Metadaten, also Daten über Daten. Wenn Sie an das von mir genannte Beispiel im Ozean denken, gibt es eine Reihe von Dingen, die Sie wissen möchten. Sie möchten wissen, wie die spektrale Strahldichte ist, wie der Photonenfluss aussieht, welche Wellenlängen des durchkommenden Lichts vorliegen, welche Temperatur das Wasser hatte, sowie dessen Salzgehalt und den Druck, da jede dieser Variablen wichtige Auswirkungen darauf hat, wie sich die Organismen entwickeln.

Wir benötigen daher neben Genom- und Organismusdaten auch umfangreiche Umweltdaten, die wir mit Daten aus anderen Zeiträumen, anderen Orten und anderen Forschern vergleichen können. Obwohl Umweltwissenschaftler bereits seit langem mit solchen Datensätzen arbeiten, ist die Verknüpfung von Bioinformatik, Genomik und Umweltwissenschaft noch relativ neu. Und Datenbanken, wie sie derzeit existieren, sind nicht unbedingt darauf vorbereitet, solche Daten aufzunehmen.

Und so gibt es derzeit gewissermaßen eine gewisse Weiterentwicklung, wie ich sagen würde, sowohl aus umweltwissenschaftlicher Sicht als auch, da ich Meeresbiologe und Ozeanograph bin, aus ozeanographischer Sicht, bei der versucht wird, einen Austausch mit Forschern herzustellen, die Genomik und Bioinformatik betreiben, und umgekehrt. Ich kann Ihnen ein Beispiel nennen. Ich bin an einem NSF-Wissenschafts- und Technologiezentrum beteiligt, das als Zentrum für mikrobielle Ozeanographie, Forschung und Lehre oder Seymour bezeichnet wird.

Und an der Seymour sind wir besonders daran interessiert, diese gesamte Dynamik zu erfassen, das Kontinuum von Genomen bis zu Biomen, all diese unterschiedlichen Ebenen biologischer Komplexität – vom Genom über das Transkriptom, das Proteom, Zellen, Populationen, Gemeinschaften bis hin zu Ökosystemen. Das ist eine Vielzahl verschiedener Informationsarten. Es ist ziemlich ehrgeizig.

Und so basiert dieses Projekt, dieses NSF-Wissenschafts- und Technologiezentrum, Seymour, in Hawaii, und es handelt sich um eine Gruppe von Ozeanographen, Mikrobiologen und Molekularbiologen, die gemeinsam versuchen herauszufinden, wie man ein bestimmtes System auf diese Weise charakterisieren kann. In diesem Fall handelt es sich bei dem System vor allem um die oberen Wasserschichten im zentralen Pazifik. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass dies eine umfangreiche biologische Komponente erfasst, die unseren Globus bedeckt, zwei Drittel unseres Planeten. In Zusammenarbeit arbeitet Seymour tatsächlich mit einem weiteren Projekt zusammen, das von der Moore Foundation finanziert wird und camera heißt.

Und Camera wird von Larry Smar und Craig Venter geleitet und dient dazu, eine große Menge an genomischen Daten, die aus der Umwelt gesammelt wurden, zusammen mit synoptischen bzw. Umweltdaten darzustellen. Das bedeutet also die Umweltdaten, die gleichzeitig mit den genomischen Daten erhoben wurden. Dies ist also wirklich ganz neu.

Es hat gerade erst begonnen und wird mehr Koordination sowie Diskussionen über Datenstandards und Metadatenstandards erfordern. Und wie konstruiert man eine Datenbank, die solche Informationen enthalten kann? Denn derzeit liegt der Schwerpunkt weitgehend auf dem Ozean, was eine klare Ausrichtung vorgibt.

Doch können Sie sich sicherlich vorstellen, dass Personen, die das menschliche Mikrobiom untersuchen, ähnliche Datensätze zusammen mit klinischen Daten, Informationen über Individuen und dergleichen benötigen werden. Es handelt sich um eine völlig andere Problematik, aber in vielerlei Hinsicht um denselben Typ von Problem: die Erfassung genomischer Daten aus natürlichen mikrobiellen Populationen zusammen mit allen assoziierten und relevanten Metadaten darüber, wo sie leben, unter welchen Bedingungen sie vorkommen, und so weiter. Die Hoffnung ist natürlich, dass umfangreiche relationale Datenbanken existieren werden, in denen man durchaus interessante Fragen zu bestimmten Gen-Typen oder -Kategorien stellen kann.

Sie könnten über bestimmte Gene nachdenken, die wir normalerweise mit Pathogenität in Verbindung bringen, wie beispielsweise Pilz I: Gibt es bestimmte Pilz-I-Typen, die stets mit klinischen oder pathogenen Umgebungen assoziiert sind, oder sind diese Pilz-I-Typen weiter verbreitet und lediglich an spezifische Bedingungen im Hinblick auf die Pathogenentstehung und ähnliches angepasst? Es gibt zahlreiche mögliche Wechselwirkungen zwischen diesen Datensätzen, um zu verstehen, wie sich die mikrobielle Welt entwickelt und wie bestimmte Anpassungen zu einer oder anderen Art von ökologischen Beziehungen oder Lebensweisen führen könnten. Lebe ich frei?

Bin ich angeheftet, bin ich ein Pathogen? All diese Dinge hängen zusammen. Solche relationalen Datenbanken werden mit ihrem Wachstum vermutlich sowohl für praktische Anwendungen als auch für die Entwicklung von Theorien sehr wichtig sein.

Und, und sie sind noch nicht so weit. Sie haben noch einen langen Weg vor sich, in den nächsten, sagen wir, fünf oder zehn Jahren. Ich denke, es wird eine Reihe von Entwicklungen geben, natürlich im Kontext des menschlichen Genoms sowie der humanmedizinischen Genetik.

Das tausend-Dollar-Genom war lange Zeit das Ziel, und die Technologien entwickeln sich ziemlich schnell, zumindest für die Neusequenzierung. Einer der großen Effekte wird daher darin bestehen, die Hürde für den Zugang zu genomischen Informationen zu senken. Damit meine ich vor allem die ökonomischen Aspekte.

Es wird viel billiger und viel schneller sein. Und es wird wahrscheinlich in nicht allzu ferner Zukunft Geräte in der Größe einer Armbanduhr geben, mit denen man, falls gewünscht, eigenes Genom sequenzieren kann. Das liegt durchaus im Bereich des Möglichen.

Wenn dies geschieht, verändert sich das Spiel ein wenig. Derzeit erfolgt ein Großteil der genomischen Sequenzierung in sehr großen, spezialisierten Zentren mit vielen Mitarbeitern. Was mit der Genomsequenzierung sicher geschehen wird – und was bereits jetzt stattfindet –, ist, dass sie viel stärker verteilt ablaufen wird.

Und das Interessante daran ist, dass dies neue Herausforderungen an Datenerfassung, Datenstandards und Datenverbreitung stellt, da die Quellen der Datenerzeugung immer stärker verteilt werden. Das ist also eine interessante Herausforderung. Und erneut hängt dies mit dem gesamten Thema Datenbank zusammen.

Eine weitere Entwicklung, die nun einsetzt und sich noch verstärken wird, betrifft die Art und Weise, wie wir genomische Daten gewöhnlich erheben: Wir denken typischerweise daran, sie in einer Datenbank abzulegen, diese dann als Datenbank zu betrachten und danach weiterzumachen. Tatsächlich besitzen DNA-Sequenzierungen jedoch äußerst leistungsfähige Anwendungen in der experimentellen Wissenschaft. Und angesichts einiger neuer Technologien, die zunehmend an Bedeutung gewinnen, erwarte ich, dass Menschen genomische Daten künftig stärker im experimentellen Modus erheben werden – und weniger nur im Modus der Datensammlung und -ablage.

Und man kann sich die Verfolgung von Populationen in der Umwelt vorstellen, wobei die Genexpression betrachtet und Genexpressionsmuster mit proteomischen Mustern überlagert werden. All diese Dinge werden stattfinden. Und daher werden wir voraussichtlich das Genomsequenzieren eher als experimentelles Werkzeug denn als Möglichkeit zur Erweiterung von Datenbanken betrachten.

Alle diese Dinge stehen also bevor, und zentral für all dies wird die Datenerfassung sein – die rechnerische Infrastruktur sowohl in Bezug auf Hardware als auch Software, um mit all diesen Daten umzugehen, da ihre Mengen enorm sind. Darüber hinaus wird die Entwicklung von Theorien erforderlich sein; wenn man an biologische Theorien denkt, insbesondere im Hinblick auf die Ökologie, basieren viele davon auf großen, vorwiegend sexuell fortpflanzenden Organismen. Tatsächlich gelten einige der grundlegenden Regeln und Theorien nicht zwangsläufig für die mikrobielle Welt. Daher halte ich es für Mathematiker und Theoretiker für eine große zukünftige Möglichkeit, diese nun gesammelten und künftig erhobenen Daten als eine Art Datengrundlage beziehungsweise Modell zu nutzen, um neue Theorien und vorhersagende Modelle zu entwickeln.

Und letztendlich geht es darum, zu verstehen, wie unser Planet funktioniert, zum Teil deshalb, weil die Luft, die wir atmen, sowie die Flüsse von Materie und Energie, die die elementaren Kreisläufe auf der Erde ausgleichen, weitgehend durch die kollektiven Aktivitäten mikrobieller Arten reguliert werden. Da wir als Spezies gegenwärtig einige dieser Energie- und Stoffkreisläufe stark belasten – nehmen wir beispielsweise das CO2 in der Atmosphäre –, wird es immer wichtiger, die Dynamik und Details jener natürlichen Gleichgewichte zu verstehen, die wir selbst beeinflusst haben, und darüber nachzudenken, wie wir etwas ausgeglichener im Einklang mit den Kreisläufen von Materie und Energie auf unserem Planeten leben können. Ich glaube daher, dass diese Art von grundlegender, zunächst reduktionistisch erscheinender Wissenschaft sich durch Metagenomik und einige der anderen von mir erwähnten Techniken sowie durch Theorie zu einer ganzheitlicheren Wissenschaft entwickeln wird, die komplexe Systeme nicht nur auf zellulärer Ebene, sondern auf der Ebene unseres gesamten Planeten versteht.

Und so machen wir derzeit mit einigen dieser Techniken, die wir Ihnen im Labor gezeigt haben, und angesichts des aktuellen Stands der Forschung gerade erst die ersten kleinen Schritte. Aber ich denke, wir können bereits winzige Andeutungen darüber erkennen, wohin diese Entwicklung führen könnte. Und es wird aufregend sein, wenn wir herausfinden können, wie man sie steuert, denn dies erfordert die Fähigkeiten einer breiten Palette von Technologen, Theoretikern, Mathematikern und Ingenieuren, die gemeinsam versuchen, alles zusammenzufügen.

Es sind also interessante Zeiten, und ab diesem Punkt wird es mit Sicherheit noch interessanter werden.