Vortragstitel & Zusammenfassungen

In diesem Vortrag werde ich das menschliche Mikrobiom unter drei Gesichtspunkten betrachten und die Gedanken in Diskussionen mit den Teilnehmenden weiterentwickeln:

· Was weiß man über das Mikrobiom des Menschen? Wie ist es zusammengesetzt? Wie analysiert man es? Wo findet man es überall?

· Welche Bedeutung hat das Mikrobiom für die Gesundheit? Welche Bezüge zu Gesundheit und Krankheit sind bekannt und wie interagieren Mikroorganismen mit dem Wirt?

· Wie kann dieses Wissen genutzt werden, um als Biotech-Unternehmer/in Produkte zu entwickeln?

· Welche Produkte gibt es heute bereits und was muss man beachten, wenn man Mikrobiom-Produkte auf den Markt bringt? 

· Wie erkennt man „gute" Mikrobiom-Produkte (Probiotika, Postbiotika)?

Bakteriophagen sind sowohl die häufigsten Killer der Natur als auch eine der vielversprechendsten Waffen der modernen Medizin. In diesem Vortrag gebe ich einen breit gefassten, verständlichen Überblick über die faszinierende Biologie der Phagen: von ihren Lebenszyklen und Wirtsinteraktionen bis hin zum evolutionären Wettrüsten mit Bakterien. Wir betrachten die Wiederentdeckung der Phagentherapie, aktuelle Anwendungen, bestehende Herausforderungen und warum Phagen im postantibiotischen Zeitalter unverzichtbar werden könnten. Im letzten Teil des Vortrags gebe ich Einblicke in unsere eigene Forschung, in der wir untersuchen, wie RNA-Modifikationen wie NAD-Capping die Infektionsdynamik von T4-Phagen in E. coli beeinflussen und welche grundlegenden molekularen Mechanismen die Phagen-Wirt-Interaktion formen. 

Archaeen werden noch immer häufig mit extremen Lebensräumen assoziiert, obwohl ihr ubiquitäres Vorkommen mittlerweile unbestritten ist. Beispielsweise dominieren Organismen der Gattung Altiarchaeum weltweit mehrere tiefe kontinentale Grundwasseraquifere. So beispielsweise auch den des höchsten Kaltwassergeysir der Welt bei Andernach (etwa 80 km südlich von Köln). Altiarchaeota sind wichtige kohlenstofffixierende Mikroorganismen und benutzen für ihr autotrophes Wachstum einen modifizierten Wood-Ljungdahl-Weg. Ganz charakteristisch für Altiarchaeota sind kleine Greifhaken an der Zelloberfläche, die hami genannt werden, mit denen sie Biofilme ausbilden. Eine weitere Besonderheit ist, dass Altiarchaeota, ganz untypisch für Archaeen, eine äußere Zellmembran besitzen. Da Altiarchaeen wie die meisten Prokaryoten bisher nicht im Labor kultiviert werden können, ist die Metagenomik hier der Weg zur genaueren Erforschung. Genomrekonstruktionen mittels Illumina short reads oder auch single-cell genomics scheiterten jedoch wiederholte Male und führten nur zu stark fragmentierten Genomen mit geringer Vollständigkeit und/oder hoher Stammheterogenität.Mittels Nanopore long-read Sequencing (eine der third-generation sequencing Plattformen), war es erstmals möglich ein geschlossenes Altiarchaeum-Genom zu rekonstruieren. Die Annotation des vollständingen Altiarchaeum-Genoms zeigt viele mobile genetische Elemente, die zu einer hohen Plastizität des Genoms beitragen und so eine Assembly mittels short reads möglicherweise erschwerten.

Aus einem weiteren Ökosystem konnten wir ein nahezu vollständiges Genom mit einem zirkulären extrachromosomalen Element in Verbindung bringen, das Gene trägt die normalerweise im Chromosom zu finden sind, was auf die Bildung von zirkulären Zwischenprodukten während dem sogenanntem genome rearrangement hinweist.

Bisher waren nur psychro- und mesophile Altiarchaeum-Gattungen bekannt, wir konnten nun aus zwei anderen Quellen (40°C und 72°C) metagenomisch die ersten thermophilen Altiarchaeota-Genome rekonstruieren, die phylogenetisch an der Wurzel der Gattung angesiedelt sind, was auf einen thermophilen Ursprung von Altiarchaeum hindeutet. Zusammengenommen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Genome von Altiarchaeum hochgradig modular sind und innerhalb der sogenannten DPANN-Archaea thermophile Vorfahren hat.

Neben der Einblicke in die Welt der Altiarchaeen, wird im Talk auch detailliert auf long-read metagenomics mittels Nanopore Sequencing und die dahinterstehende Bioinformatik eingegangen.

Stäbchen, Kugeln, Spirillen - die Welt der bakteriellen Zellformen ist divers. In meinem Vortrag werde ich eine Einführung zu bakteriellen Morphologien geben und dazu folgende Fragen näher betrachten: "Welche Zellformen gibt es bei Bakterien? Wie werden diese erzeugt? Warum haben Bakterien unterschiedliche Zellformen?" Hierfür werde ich grundlegende Konzepte in der bakteriellen Morphogenese an einigen Beispielen vorstellen und einen Ausblick auf bisher nicht erforschte Zellformen und offene Fragen in diesem Zusammenhang geben. 

Das Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen in Braunschweig gehört zu den weltweit größten und vielfältigsten Zentren für mikrobiologische Ressourcen. Mit über 90.000 Bioressourcen umfasst die Sammlung eine breite Vielfalt an Bakterien- und Archeenstämmen, Pilzen, pflanzlichen Viren, Bakteriophagen, menschlichen und tierischen Zelllinien sowie bakterieller DNA. Die zentrale Aufgabe der DSMZ liegt in der Erforschung, Bereitstellung und Nutzung mikrobieller und zellulärer Biodiversität. 

Ein Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt auf den Actinomyceten, einer Gruppe von Bakterien, die für die ihre außergewöhnliche Fähigkeit zur Produktion bioaktiver Naturstoffe bekannt ist. Dazu zählen zwei Drittel aller derzeit klinisch genutzten Antibiotika sowie zahlreiche weitere pharmazeutisch und biotechnologisch relevante Substanzen. Die DSMZ verfügt über eine umfangreiche Sammlung von Actinomyceten mit mehr als 5.000 Stämmen, darunter viele Typstämme, seltene Taxa, und langsam wachsende Spezies, sowie zahlreiche Vertreter der Gattung Streptomyces, die für ihr ausgeprägtes Wirkstoffproduktionspotenzial bekannt sind. Trotz dieses Biosynthesepotenzials ist die Entdeckungsrate neuer Verbindungen in den letzten Jahrzehnten stark zurückgegangen, unter anderem aufgrund der häufigen Wiederentdeckung bereits bekannter Substanzen. Vor dem Hintergrund der weltweit zunehmenden Antibiotikaresistenzen gewinnt die Entdeckung neuer Wirkstoffe immer mehr an Bedeutung. Fortschritte in der Genomsequenzierung, ein vertieftes Verständnis des Sekundärstoffwechsels von Actinomyceten und dessen Regulation sowie verbesserte genetische Werkzeuge eröffnen neue Möglichkeiten, um das bisher ungenutzte Biosynthesepotenzial der Organismen zu erschließen. In meinem Vortrag stelle ich die DSMZ mit ihren Inhalten und Aufgaben vor und erläutere, wie sich das Biosynthesepotenzial der Actinomyceten für die Entdeckung neuer bioaktiver Wirkstoffe nutzen lässt.

Im Rahmen des Vortrags werden anhand von Beispielen der Einsatz moderner Methoden wie Next-Generation-Sequencing in Verbindung mit Bioinformatik gezeigt wie Bioforensik bei der Bundeswehr genutzt wird. Die Teilnehmenden erhalten dabei Einblicke in die vielseitigen Tätigkeitsprofile von Biologen am Institut für Mikrobiologie der Bundeswehr - als Soldat wie auch als Zivilist. 

Peptides have a wide array of functions and applications, including as antimicrobial agents, anti-allergy and anti-cancer drugs, in biological signalling and neurodegenerative disease. They are recognized as highly selective and efficacious drug candidates, which are relatively safe and well tolerated by the human body. A major drawback of peptides in drug development however are the difficulties associated with their bespoke modification, which are essential for peptide development. Biotechnology and total synthesis both encounter significant obstacles, especially for peptides containing non-natural amino acids and extensive modifications. Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) have emerged as a major superfamily of natural products with exciting bioactivities. 

Their biosynthesis begins with the expression of a small gene to yield a precursor peptide via the normal ribosomal route. This precursor peptide is then modified by a cascade of enzymes to yield the final natural product. In many RiPP pathways the biosynthetic enzymes have been shown to be highly tolerant of changes to the amino acid sequence of their substrates. The talk will cover basic RiPP research, focussing on in vitro biochemistry and structural biology. These insights can be used for biotechnological applications to generate libraries of bespoke peptides for high-throughput screening and the discovery of novel probes for the development of diagnostics.

Das Robert Koch-Institut (RKI) ist die zentrale Einrichtung der Bundesregierung auf dem Gebiet der Krankheitsüberwachung und -prävention. Ein Standort des RKIs befindet sich in Wernigerode, wo mehrere Fachgruppen mit Schwerpunkt auf bakteriellen Krankheitserregern arbeiten. Hier ist, innerhalb der Fachgruppe „Nosokomiale Erreger und Antibiotikaresistenzen“ auch das Nationale Referenzzentrum (NRZ) für Staphylokokken und Enterokokken angesiedelt. 

Das NRZ übernimmt wesentliche Aufgaben bei der Untersuchung, Bewertung und Kontrolle von Staphylokokken und Enterokokken, die sowohl im Krankenhaus als auch in der Allgemeinbevölkerung eine große Rolle spielen und die, vor allem im Falle der Staphylokokken, auch ein zoonotisches Potenzial aufweisen. Dabei arbeitet das NRZ mit einem Netzwerk von niedergelassenen Laboren und anderen Einrichtungen des Gesundheitssystems zusammen. Aus diesen Arbeiten resultieren umfangreiche Stammsammlungen, die wiederum Grundlage für wissenschaftliche Analysen darstellen. Die Arbeit des NRZ umfasst neben der erweiterten Diagnostik und Typisierung von Isolaten auch die epidemiologische Auswertung eingehender Daten. Ziel ist es, Ausbrüche frühzeitig zu erkennen und Entwicklungen bei Resistenz- und Virulenzeigenschaften systematisch zu dokumentieren. 

Von zentraler Bedeutung ist die Untersuchung von Antibiotikaresistenzen bei Staphylococcus (S.) aureus, aber auch bei anderen Staphylokokkenspezies. Hierbei spielen Methicillin-resistente S. aureus eine wichtige Rolle, deren Verbreitung innerhalb und außerhalb von Krankenhäusern aufgrund ihres häufig sehr breiten Resistenzspektrums zu Problemen in der Behandlung der durch sie verursachten Infektionen führen. Von besonderem Interesse für das NRZ sind solche Isolate, die unbekannte Resistenzgenotypen aufweisen oder zusätzlich Resistenzen gegenüber Reserveantibiotika erlangt haben. Solche Entwicklungen sind besonders relevant, da diese Substanzen oft die letzte therapeutische Option darstellen.

Zur Bearbeitung dieser Fragestellungen setzt das NRZ auf eine Kombination aus klassischen mikrobiologischen und molekularbiologischen Methoden sowie auf moderne bioinformatische Verfahren zur Analyse großer genomischer Datensätze. Durch diese Herangehensweise können Resistenzmechanismen auf molekularer Ebene aufgeklärt, Populationsstrukturen beschrieben und Veränderungen in der Verbreitung nachvollzogen werden.

Insgesamt trägt die Arbeit des NRZ dazu bei, ein tieferes Verständnis für die Populationsdynamik resistenter Bakterien zu gewinnen, die klinische Relevanz neuer Resistenzformen einzuordnen und frühzeitig Maßnahmen zur Infektionskontrolle einzuleiten. Damit unterstützt es nicht nur die unmittelbare Patientenversorgung und das öffentliche Gesundheitswesen, sondern leistet auch einen Beitrag im Rahmen des One-Health-Ansatzes, indem es die Wechselwirkungen zwischen Human- und Veterinärmedizin sowie Umweltaspekten berücksichtigt.

Inhaltlich gebe ich einen kurzen Abriss über die Geschichte der bakteriellen Forschung hin zu dem Feld „bakterielle Multizellularität“. Hierfür werde ich ausgewählte Fallbeispiele vorstellen (u.a. Myxococcus, Streptomyces, Bacillus) und hinsichtlich des Bakterium Bacillus auch meine eigene Forschungsarbeit mit speziellem Fokus auf bakteriellem Kannibalismus vorstellen. 

Our gut microbiota protects against pathogenic food-borne bacteria and supresses colonization by antibiotic resistant Enterobacteriaceae. This colonization resistance relies on interference and exploitation, the competition for critical nutrients.  The latter has already been formulated in Rolf Freter’s Nutrient Niche hypothesis, which proposes that gut-colonization hinges on the superior utilization of at least one nutrient compared to all resident strains. However, the chemical nature of the relevant nutrients had remained enigmatic. I will discuss recent progress in the field, identifying carbohydrates as critical nutrients fuelling gut colonization by Enterobacteriaceae. Our work on Salmonella Typhimurium and E. coli gut colonization has identified significant concentrations of carbohydrates like glucose, fructose, galactose in the animal gut lumen. Context-dependent and -independent competition for these carbohydrates as well as fine-tuned expression of the respective carbohydrate utilization pathways determines Enterobacteriaceae growth and inter-strain competition. The discovery of this sugar-dependent growth may help to develop new, evidence-based strategies for decolonization and disease prevention.

Gene expression control in bacteria is key for the efficient utilization of resources and for adapting to various environmental conditions. The regulation is multifactorial, occurring at different, often interconnected layers. At the post-transcriptional level, the abundant class of small RNAs (sRNAs) preferentially acts through short, oftentimes imperfect base-pairing to trans-encoded messenger RNAs (mRNAs). Annealing of an sRNA seed may alter mRNA stability, translation efficiency or both and can result in activation or repression of the target transcript. RNA-RNA hybrid formation is often mediated by RNA-binding proteins (RBPs), with the most prominent chaperone in Gram-negative bacteria being Hfq.

The advent of high-throughput sequencing technologies has substantially increased our understanding of gene expression, providing comprehensive datasets on differential gene expression and annotation of regulatory RNAs within bacterial transcriptomes. Although hundreds of sRNAs have been identified, their functional characterization is lacking behind.

Typically, sRNAs have been analyzed one at a time. More recently, the implementation of methodologies that comprehensively capture RNA interactomes has facilitated the global identification of sRNA target spectra. We use RIL-seq (RNA interaction by ligation and sequencing), a technique which relies on the co-purification of base-pairing RNAs covalently linked by RNA ligation together with Hfq, to globally map RNA-RNA interactions and to assign individual sRNAs to regulatory networks.

In my talk, I will highlight different facets of bacterial RNA biology, introduce experimental methods to identify RNA-RNA interactions and present recent findings from my group.

In einer sich schnell verändernden Welt wächst der Bedarf an nachhaltigen, biologisch abbaubaren Produkten, die nicht auf fossilen Ressourcen basieren. Für diese Herausforderung stellen Bakterien eine immense Quelle der biosynthetischen Kreativität dar und sind entscheidend für die Entwicklung nachhaltiger Prozesse und Produkte in der industriellen Biotechnologie.

Neben ausgewählten Anwendungsbeispielen für nachhaltige Produkte des Alltags, wie nachhaltige Reinigungsmittel, steht die zukünftige Ernährung im Vordergrund des Vortrags. Bis 2050 wird die Weltbevölkerung auf fast 10 Milliarden Menschen anwachsen. Dies führt zu einer steigenden Nachfrage nach nachhaltiger und zugänglicher Ernährung. Neben der biotechnologischen Herstellung von Aminosäuren für die Tierernährung wird die Entwicklung von Probiotika für die Tierhaltung präsentiert werden. Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Antibiotikaresistenzen, die mit dem Einsatz von Antibiotika in der Fleischproduktion einhergehen, gewinnen insbesondere Bacillus-basierte Probiotika, an Bedeutung. Sie fördern die Darmgesundheit von Tieren und können als effiziente Alternative zu Antibiotika dienen. Im Vortrag werden wir ein einzigartiges Darmsimulationsmodell betrachten, das es ermöglicht, die Wechselwirkungen zwischen Probiotika und der Mikrobiota im Darm des Tieres zu untersuchen. Derartige Modelle sind entscheidend, um die Wirksamkeit von Probiotika zu verstehen und deren Entwicklung zu optimieren.

Wir werden auch die Entwicklung humaner Probiotika erörtern, die nicht nur die Produktion gesundheitsfördernder Substanzen im Dickdarm steigern, sondern auch die Glutenverträglichkeit bei empfindlichen Konsumenten verbessern können.

Die Astrobiologie als interdisziplinäre Wissenschaft hat das Ziel Erkenntnisse über den Ursprung und die Evolution des Lebens auf der Erde, im Sonnensystem und im Universum zu erlangen und herauszufinden, ob und auf welche Weise Leben außerhalb der Erde existiert oder existieren könnte. 
Die zentrale astrobiologische Frage ist, ob die Entstehung von Leben zwangsläufig erfolgt und somit, wie die Gesetze der Physik und Chemie, als universell betrachtet werden kann oder ob es sich um ein einmaliges Zufallsereignis im Universum handelt.                                                                    

Im DLR untersuchen wir Mikroorganismen und deren zelluläre und molekulare Reaktionen auf extreme Umweltfaktoren, wie sie im Weltraum und auf anderen Planeten und Monden vorkommen.  Daraus wollen wir ableiten wo in unserem Sonnensystem habitable Gegenden sind und wo und wie nach Spuren von früherem oder heutigem Leben bei Weltraummissionen gesucht werden soll. Unsere Forschung erfolgt in mikrobiologischen Labors, in Planeten- und Weltraumsimulationsanlagen, durch die Teilnahme an Feldstudien, in Form von Experimenten im Weltraum, z.B. auf der ISS.

Antimikrobielle Resistenzen (AMR) stellen eine der größten globalen Herausforderungen der modernen Medizin dar. Während die Entwicklung neuer Antibiotika stagniert, nehmen komplexe Infektionen durch multiresistente Erreger und Biofilme stetig zu. Unser Institut für Infektionsmedizin und Krankenhaushygiene am Universitätsklinikum Jena verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, um diese Problematik ganzheitlich zu adressieren – von der Grundlagenforschung bis zur klinischen Anwendung. Der Vortrag gibt einen Einblick in aktuelle Projekte und innovative Strategien, darunter der Einsatz von Nanopore-Sequenzierung zur schnellen Detektion von Pathogenen und Resistenzgenen, die Integration von Multi-Omics-Daten zur Erstellung individueller Infektionsprofile, die Entwicklung personalisierter Phagentherapien sowie die Erforschung biofilmassoziierter Infektionen und neuartiger, antifouling-aktiver Materialien. Abschließend werden Perspektiven einer personalisierten Infektionsmedizin vorgestellt und diskutiert, wie diese neuen diagnostischen und therapeutischen Konzepte den Weg zu präziseren, patientenzentrierten Behandlungsansätzen ebnen können.

Bakterielle STI sind weit verbreitet, obgleich die Datenlage in Deutschland oftmals lückenhaft ist. In diesem Workshop sollen die wichtigsten bakteriellen STI vorgestellt und in Bezug auf Epidemiologie, Diagnostik, Prävention, Therapie mögliche Komplikationen besprochen werden. Zusätzlich wird anhand von Beispielen die Möglichkeiten einer interdisziplinären und multiprofessionellen Versorgung zu sexueller Gesundheit illustriert.

Bakterien können als Einzelzellen überleben, entfalten ihr volles Potenzial jedoch in multizellulären Gemeinschaften – den Biofilmen. Diese stellen in den meisten Lebensräumen die dominante Lebensweise dar und verleihen den Bakterien einen effektiven Schutz vor äußeren Stressfaktoren, einschließlich Antibiotika. Damit ein Biofilm entstehen kann, müssen Bakterien physisch miteinander interagieren. In unserem Vortrag geben wir einen Einblick in moderne Methoden zur Untersuchung der Biofilmarchitekur. Anhand des humanpathogenen Bakteriums Neisseria gonorrhoeae zeigen wir, wie filamentöse Oberflächenstrukturen – die sogenannten Typ-IV-Pili – den aktiven Zell-Zell-Kontakt vermitteln und bereits nach wenigen Minuten zu Bildung dichter bakterieller Aggregate führen. Mit Hilfe optischer Laserfallen quantifizieren wir die Kräfte zwischen einzelnen Bakterien und analysieren, wie Antibiotika diese Interaktion beeinflussen. Ergänzend erlaubt uns die Fluoreszenzmikroskopie, die Dynamik der Typ-IV-Pili in Echtzeit sichtbar zu machen und den Einfluss von Antibiotika auf die Architektur von Bakterienkolonien bis hinunter auf die Einzelzellebende zu verstehen.