Vom ganz Kleinen zum großen Ganzen: Eine neue Ära der Mikrobiologie

Die Mikrobiologie untersucht Mikroorganismen, ihre Ökologie und Evolution, ihre Interaktionen mit ihrer Umwelt, untereinander und mit größeren Organismen. Seit der Entdeckung von Mikroben in den 1670er Jahren hat sie in ihrer relativ kurzen Geschichte bemerkenswerte Fortschritte gemacht: Von einfachen, aber entscheidenden Beobachtungen, wie das Händewaschen die Sterblichkeitsrate von Patienten in Krankenhäusern senkt, bis hin zu Genom-Editing-Technologien, die mikrobielle Enzyme zur Behandlung menschlicher Krankheiten nutzen – in weniger als 200 Jahren. Zum 50-jährigen Jubiläum der Fachzeitschrift Cell haben Murat Eren, Forscher am AWI, HIFMB, MPIMM sowie an der Universität Oldenburg, und Jilian Banfield von der Universität Berkeley einen umfassenden Review geschrieben, der diese Bemühungen sowie die Ankunft und Auswirkungen der modernen Ära der Mikrobiologie zusammenfasst.

Die rasante Entwicklung von Sequenzern, Massenspektrometern und Bildgebungsplattformen führt heute zu enorm großen und komplexen Datensätzen aus natürlichen mikrobiellen Systemen. Hier bieten computergestützte Ansätze der Mikrobiologie neue Möglichkeiten, natürlichen Lebensräume im Auge zu behalten, da sie sich ebenfalls ständig weiterentwickeln, wie die jüngsten Entwicklungen im Bereich des Deep Learning und der künstlichen Intelligenz zeigen. „Unsere Umwelt verändert sich ständig und unser Überleben hängt von unserer Fähigkeit ab, mit diesen Veränderungen Schritt zu halten. Mikroben können sehr schnell auf diese reagieren. Wenn wir verstehen, wie sie das tun, können wir viel über unsere Umwelt selbst lernen“, sagt A. Murat Eren. Hierfür müssten wir uns jedoch sehr stark auf computergestützte Berechnungen verlassen: Sie können Informationen aus heterogenen Datentypen übersetzen und die Suche in großen Datenbanken mit Millionen von Beobachtungen erleichtern. Dadurch sind Rechenansätze in der Mikrobiologie genauso wichtig und zentral geworden wie molekulare Ansätze. Diese neue und stark datengesteuerte Ära erhöht jedoch auch die Komplexität der Forschung – etwas, dass auch in der Ausbildung und der Forschungsfinanzierung berücksichtigt werden muss.

„Für uns ist die Mikrobiologie wohl eine der wichtigsten Wissenschaften in der Mitte des 21. Jahrhunderts, mit ihrem Ziel mikrobielles Leben zu verstehen und ihrem Potenzial, Mikroben zur Lösung unserer dringendsten Probleme durch Fortschritte in der Biotechnologie und Biomedizin zu nutzen“, schließt A. Murat Eren. Er erkennt aber auch an, dass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer noch dabei seien, zu lernen, wie sie riesige Datenmengen nutzen können, um noch unverstandene Prozesse in natürlichen Ökosystemen mit integrativen, interdisziplinären und skalierbaren Mitteln zu lösen.

A. Murat Eren, Jillian F. Banfield: Modern microbiology: embracing complexity through integration across scales, Cell (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.028