Abteilung Nutriinformatik

Die Forschungsgruppe Nutriinformatik nutzt mathematisch-informatische Methoden, um ein genaueres Verständnis von dem Einfluss der Wechselwirkungen zwischen Ernährung und Mikroorganismen auf den menschlichen Stoffwechsel zu erlangen.

Forschungsschwerpunkte

  • Techniken der metabolischen Modellierung und Simulation
  • Metabolische Netzwerke und Zellgemeinschaften
  • Rekonstruktion von Genom-skaligen metabolischen Modellen aus Metagenomdaten
  • Bioinformatische Methoden zur Untersuchung von großskaligen Datensätzen (u.a. Metabolomik und Genomik)
  • Theoretische Ökologie der Mikroorganismen

 

Der Fokus

Mikroorganismen leben selten in Isolation. Stattdessen koexistieren sie meist in komplexen Zellgemeinschaften und interagieren oft mithilfe faszinierender Mechanismen. Der Stoffwechsel der Organismen in einer mikrobiellen Gemeinschaft hat einen starken Einfluss auf die chemische Zusammensetzung ihrer Umgebung – und somit häufig auch auf die Biochemie von benachbarten mehrzelligen Lebewesen. Das menschliche Darmmikrobiom ist eine Zellgemeinschaft, die aus einer Vielzahl verschiedener Mikroorganismen besteht und so ein komplex Ökosystem bildet. Die Ernährung des Menschen beeinflusst maßgeblich den Stoffwechsel und die Ökologie des Darmmikrobioms. Welche mikrobiellen Prozesse dabei die Gesundheit des Menschen beeinflussen ist in vielen Aspekten noch unbekannt.

In der Nutriinformatik entwickeln wir neue mathematisch-informatische Methoden, um die biochemischen Wechselwirkungen zwischen Nahrung, Mikroorganismen und dem Menschen mithilfe von aussagekräftigen Computermodellen besser zu verstehen. Für dieses Ziel kombinieren wir ökologische Theorien mit experimentellen Daten wie z.B. Metagenome und Metabolome.

Agent-based simulation of four human gut bacteria
Abbildung: Agenten-basierte Simulation einer Zellgemeinschaft (links) bestehend aus vier Bakterienarten des menschlichen Darmmikrobioms. Die metabolischen Modelle der Bakterien wurden mit der Software 'gapseq' aus Genomsequenzen rekonstruiert. Die Simulation zeigt u.a. die Produktion von Essigsäure (Acetate) durch Bacteroides thetaiotaomicron and Bifidobacterium adolescentis; die Produktion von Milchsäure (Lactate) durch B. adolescentis; und die Produktion von Buttersäure (Butyrate) durch das Essigsäure-verwertenden Faecalibacterium prausnitzii sowie durch das Milchsäure-verwertenden Bakteriums Anaerobutyricum hallii.

 

Projekte

 

Entwicklung neuer Methoden zur Vorhersage von metabolischen Interaktionen zwischen Lebewesen

 

Ausgewählte Publikationen

  1. Zimmermann J, Kaleta C, Waschina S.
    gapseq: informed prediction of bacterial metabolic pathways and reconstruction of accurate metabolic models.
    Genome Biol. 2021/;22. DOI
  2. D’Souza G, Shitut S, Preussger D, Yousif G, Waschina S, Kost C.
    Ecology and evolution of metabolic cross-feeding interactions in bacteria.
    Nat Prod Rep. 2018/;35:455–88. DOI
  3. Marinos G, Kaleta C, Waschina S.
    Defining the nutritional input for genome-scale metabolic models: A roadmap.
    PLoS ONE. 2020/;15:e0236890. DOI

 

Systembiologie des Darmmikrobioms bei Frühgeborenen

 

Ausgewählte Publikationen

  1. Graspeuntner S, Waschina S, Künzel S, Twisselmann N, Rausch TK, Cloppenborg-Schmidt K, et al.
    Gut Dysbiosis With Bacilli Dominance and Accumulation of Fermentation Products Precedes Late-onset Sepsis in Preterm Infants.
    Clinical Infectious Diseases. 2018/;69:268–77. DOI
  2. Pagel J, Twisselmann N, Rausch TK, Waschina S, Hartz A, Steinbeis M, et al.
    Increased Regulatory T Cells Precede the Development of Bronchopulmonary Dysplasia in Preterm Infants.
    Front Immunol. 2020/;11. DOI

 

Wechselspiel zwischen der mikrobiellen Ökologie und dem menschlichen Immunsystem bei chronisch-entzündlichen Erkrankungen

 

Ausgewählte Publikationen

  1. Aden K, Rehman A, Waschina S, Pan W-H, Walker A, Lucio M, et al.
    Metabolic Functions of Gut Microbes Associate With Efficacy of Tumor Necrosis Factor Antagonists in Patients With Inflammatory Bowel Diseases.
    Gastroenterology. 2019/;157:1279-1292.e11. DOI
  2. Effenberger M, Reider S, Waschina S, Bronowski C, Enrich B, Adolph TE, et al.
    Microbial Butyrate Synthesis Indicates Therapeutic Efficacy of Azathioprine in IBD Patients.
    Journal of Crohn’s and Colitis. 2020/;15:88–98. DOI
  3. Demetrowitsch TJ, Schlicht K, Knappe C, Zimmermann J, Jensen-Kroll J, Pisarevskaja A, et al.
    Precision Nutrition in Chronic Inflammation.
    Front Immunol. 2020/;11. DOI