Onderzoeksproject P7/25 (Onderzoeksactie P7)
Microbiële gemeenschappen hebben de aarde vorm gegeven en zijn verantwoordelijk voor de minerale cycli. Daardoor zijn deze gemeenschappen essentieel in zowel natuurlijke ecosystemen als industriële processen. Dergelijke microbiële gemeenschappen zijn in de meeste gevallen zeer complex en bestaan uit verschillende populaties die een positieve en negatieve invloed kunnen hebben op elkaar. In onze huidige maatschappij waar duurzaamheid voorop staat, worden microbieel geïnspireerde processen steeds vaker verkozen boven chemische of fysische processen. Juist daarom wordt het belangrijk om dergelijke complexe microbiële processen in kaart te brengen. Een adequaat management van microbiële bronnen, ook MRM genoemd, is de uitdaging voor toekomstige ingenieurs en wetenschappers. Maar daarvoor is het essentieel om de microbiële interacties in complexe microbiële gemeenschappen ten gronde te begrijpen. Gedurende de laatste 20 jaar zijn verschillende disciplines die deze ecosystemen bestuderen, sterk ontwikkeld, zoals de moleculaire en evolutionaire ecologie (gen transfer, genoom evolutie, moleculaire en chemische signalering, etc.) samen met de efficiënte technologie platforms (genomics, proteomics, metabolomics en de corresponderende meta-omics technieken voor de moleculaire analyse van biodiversiteit). Maar tegelijkertijd zijn beide disciplines ook ontkoppeld geraakt en gedivergeerd. In deze IAP zullen we door een combinatie van de verschillende disciplines een extra dimensie in wetenschappelijk onderzoek aanleveren, namelijk het hypothese gedreven onderzoek. Deze nieuwe ecologische theorieën zullen ons toelaten de basisfenomenen in de microbiële ecologie te begrijpen en een bijdrage leveren om onze omgeving op een meer duurzame manier te gaan managen.
De uitdaging voor microbieel ecologen en ingenieurs is om deze microbiële bronnen zo optimaal mogelijk te managen zodat stabiele en functionele ecosystemen kunnen worden gegarandeerd. Vandaar dat de biodiversiteit-stabiliteit relatie en de invloed van biodiversiteit op ecosysteem functioneren zo belangrijk zijn geworden in de microbiële ecologie. Echter biodiversiteit is een heel complex begrip en bevat o.a. taxonomische, functionele, ruimtelijke en temporele aspecten. Op enkele uitzonderingen na zijn alle studies benaderd op een beschrijvende wijze, namelijk het oplijsten van soortnamen. Tot op heden zijn ecologische theorieën nauwelijks onderzocht in de microbiële ecologie en het is onze sterke overtuiging dat de voortuitgang in de microbiële ecologie wordt gehinderd door een tekort aan theoretische en conceptuele benaderingen. In dit IAP project zullen we eenvoudige experimentele in vitro en in silico proefopzetten gebruiken om synthetische ecosystemen te construeren. Deze synthetische ecosystemen zullen toelaten om microbiële interacties te bestuderen op verschillende niveaus en zullen samengesteld worden door mengsels te maken van geïsoleerde species uit cultuurcollecties. Aangezien deze species goed gekarakteriseerd zijn voor hun fysiologische en genetische eigenschappen, kunnen hun interacties in detail bestudeerd worden via onze µ-manager portfolio van moleculaire technieken. In parallel, zullen in silico synthetische ecosystemen via PC modellering gebruikt worden om dezelfde ecologische vragen te beantwoorden. Deze unieke koppeling van mathematische modellen, synthetische ecosystemen en de moleculaire portfolio zal ons toelaten om ecologische theorieën te onderzoeken. In deze IAP zal de rol van (i) species invasie (ii) microbiële dynamiek, (iii) gemeenschapsstructuur (rijkheid, gelijkheid), (iv) gemeenschapsarchitectuur, (v) cel-cel interacties (vii) genetische interacties, (vi) metabolische netwerking, etc. op ecosysteem performantie in detail onderzocht worden.
Deze unieke benadering om te werken naar een gestructureerd onderzoeksprogramma rond MRM is nog nooit gerealiseerd. De bevindingen die uit dit IAP project zullen komen, zullen nieuwe mogelijkheden scheppen voor wetenschappers werkzaam in velerlei domeinen, zoals fundamenteel en toegepast milieugericht onderzoek, voedingswetenschappen en zelfs de medische microbiologie. De combinatie van nieuwe ecologische theorieën gecombineerd met moleculaire technieken en mathematische modellen zullen in de toekomst gebruikt kunnen worden om het falen van ecosysteem diensten te voorspellen en op deze manier robuuste biotechnologische toepassingen met microbiële gemeenschappen te kunnen managen.
