Computational methods for tracking the evolution of complex bacterial communities

Münch, Philipp C. (2022): Computational methods for tracking the evolution of complex bacterial communities. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The focus of my PhD thesis was to study evolutionary aspects of host-associated microbial communities. In order to better understand these effects, I developed and applied computational methods to search for protein families that are under selection within metagenomes (Publication I) and applied them to various environments (see the articles “Structure and function of the bacterial root microbiota in wild and domesticated barley", and “Survival trade-offs in plant roots during colonization by closely related beneficial and pathogenic fungi”. One consistent finding of these studies was the high selective pressure acting on gene families associated with the bacterial defense system (the so-called CRISPR-Cas system) and families annotated as being related to bacteriophages. To study this CRISPR-phage relationship more closely, I systematically analysed CRISPR cassettes and CRISPR-related genes in samples from the Human Microbiome project (HMP) (Publication II). This resulted in one of the most comprehensive CRISPR collections to date. Further, we found novel sequence characteristics in the CRISPR loci and described the differences in the composition of CRISPR-associated genes in different body habitats and a potential relationship between the CRISPR defence system and the restriction modification system of bacteria. Furthermore, I performed a similar but less extensive search on metagenomic samples from infants: “Genomic variation and strain-specific functional adaptation in the human gut microbiome during early life”. Next, I turned my focus to study microbiome evolution in a gnotobiotic mouse model, since this provided the opportunity to study bacteria evolution on an intermediate scale of complexity. I contributed to the development of the mouse model described in the Manuscript “Genome-guided design of a defined mouse microbiota that confers colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium” and a study comparing the stability of the community between animal facilities “Reproducible colonization of germ-free mice with the Oligo-Mouse-Microbiota in different animal facilities” and to a study focusing on the interaction network of this community. However, my main work with the OMM12 model has been to study community effects and evolution during repeated rounds of AB exposure (unpublished Publication III).

Abstract

Der Schwerpunkt meiner Doktorarbeit lag auf der Untersuchung evolutionärer Aspekte von wirtsassoziierten mikrobiellen Gemeinschaften. Um diese Effekte besser zu verstehen, habe ich computergestützte Methoden entwickelt und angewandt, um nach Proteinfamilien zu suchen, die in Metagenomen (Publikation I) der Selektion unterliegen, und sie auf verschiedene Umgebungen angewandt (siehe die Artikel “Structure and function of the bacterial root microbiota in wild and domesticated barley” und “Survival trade-offs in plant roots during colonization by closely related beneficial and pathogenic fungi”. Ein durchgängiges Ergebnis dieser Studien war der hohe Selektionsdruck, der auf Genfamilien wirkt, die mit dem bakteriellen Abwehrsystem (dem sogenannten CRISPR-Cas-System) und Familien, die als mit Bakteriophagen verwandt beschrieben werden, verbunden sind. Um diese CRISPR-Phagen-Beziehung genauer zu untersuchen, analysierte ich systematisch CRISPR-Kassetten und CRISPR-verwandte Gene in Proben aus dem Human Microbiome Project (HMP) (Publikation II). Dies führte zu einer der bisher umfassendsten CRISPR-Sammlungen. Darüber hinaus fanden wir neuartige Sequenzmerkmale in den CRISPR-Loci und beschrieben die Unterschiede in der Zusammensetzung von CRISPR-assoziierten Genen in verschiedenen Körperregionen sowie eine mögliche Beziehung zwischen dem CRISPR-Abwehrsystem und dem Restriktionsmodifikationssystem von Bakterien. Außerdem habe ich eine ähnliche, aber weniger umfangreiche Suche an metagenomischen Proben von Säuglingen durchgeführt: “Genomic variation and strain-specific functional adaptation in the human gut microbiome during early life”. Als Nächstes konzentrierte ich mich auf die Untersuchung der Mikrobiomevolution in einem gnotobiotischen Mausmodell, da dies die Möglichkeit bot, die Evolution von Bakterien auf einer mittleren Komplexitätsebene zu untersuchen. Ich war an der Entwicklung des Mausmodells beteiligt, das im Manuskript "Genom-guided design of a defined mouse microbiota that confers colonization resistance against Salmonella enterica serovar Typhimurium" und eine Studie zum Vergleich der Stabilität der OMM12 Gemeinschaft zwischen Tierhaltungsanlagen “Reproducible colonization of germ-free mice with the Oligo-Mouse-Microbiota in different animal facilities” sowie eine Studie, die sich auf das Interaktionsnetzwerk dieser Gemeinschaft konzentriert. Meine Hauptarbeit mit dem OMM12-Modell bestand jedoch darin, die Auswirkungen und die Entwicklung der Gemeinschaft während wiederholter AB-Expositionen zu untersuchen (unveröffentlichtes Manuscript III).

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Bacterial evolution, metagenomics, microbial communities
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 4. Oktober 2022
• 1. Bericht­erstatter:in: Stecher-Letsch, Bärbel