Mikrobiologie

Michael Wagner zählt zu den weltweit führenden Forschern in der Mikrobiellen Ökologie und Mikrobiom-Analyse. Diese Teilgebiete der Mikrobiologie beschäftigen sich mit der Untersuchung der Zusammensetzung und Funktion von Mikroorganismengemeinschaften in Umwelt und Medizin, ohne die kein Leben auf der Erde möglich wäre und die von entscheidender Bedeutung für die Gesundheit von Pflanzen, Tieren und dem Menschen sind. Die Vielfalt der Mikroorganismen auf der Erde ist atemberaubend und übersteigt bei weitem die aller anderer Lebewesen. Allerdings können bis heute die meisten Mikroben nicht im Labor angezüchtet und mit konventionellen Verfahren der Mikrobiologie untersucht werden. Michael Wagner hat in den vergangenen 25 Jahren mit seinem Team Methoden entwickelt, die es erstmals erlauben diese Dunkle Materie der Mikroben direkt in medizinischen oder Umweltproben zu untersuchen. Dabei werden die Mikroben nicht nur ohne vorhergehende Anzucht direkt in der zu untersuchenden Probe mit fluoreszenzmarkierten Gensonden identifiziert, sondern auch gleichzeitig deren Funktionen durch modernste Methoden der chemischen Bildgebung (NanoSIMS, Ramanmikrospektroskopie) analysiert. Zum Aufbau dieses neuen Felds der Mikrobiologie hat Wagner wesentlich beigetragen und die von ihm entwickelten Methoden werden inzwischen weltweit zur Analyse von Mikrobiomen (die Gesamtheit der Mikroben, die ein bestimmtes Ökosystem oder den Menschen besiedeln) eingesetzt. Die aktuellen Forschungsarbeiten von Michael Wagner konzentrieren sich auf Mikroben, die wesentliche Funktionen im globalen Stickstoffkreislauf ausführen. Die Hälfte der Menschheit kann nur durch den Einsatz von industriell hergestelltem Stickstoffdünger ernährt werden. Aufgrund der Aktivität bestimmter Gruppen von Mikroorganismen der sogenannten Nitrifikanten in landwirtschaftlich genützten Böden, wird jedoch ein Großteil des Düngers nicht von den Pflanzen aufgenommen, sondern gelangt in das Grundwasser, die Flüsse und Meere und führt dort zu Überdüngung mit dramatischen Folgen wie Algenblüten und der Ausbildung von stetig wachsenden Todeszonen in den Weltmeeren. Zudem erzeugen die Nitrifikanten als Nebenprodukt ihres Stoffwechsels bedeutende Mengen an Lachgas, das ein starkes Treibhausgas und die wichtigste ozonschädigende Substanz dieses Jahrhunderts ist. Auf der anderen Seite tragen diese Nitrifikanten wesentlich zur Reinigung von Abwässern in modernen Kläranlagen bei. Wagner und sein Team haben mit ihren molekularbiologischen und materialwissenschaftlichen Methoden eine Reihe neuartiger Nitrifikanten identifiziert und völlig unerwartete funktionelle Eigenschaften dieser Organismengruppe beschrieben. So gelang Wagner und seinem Team 2015 die erstmalige Beschreibung und Isolierung der sogenannten Comammox-Bakterien völlig neuartiger Nitrifikanten, die fundamental unterschiedliche Stoffwechseleigenschaften aufweisen und z.B. wesentlich weniger Lachgas als viele andere Nitrifikanten erzeugen. Zurzeit untersucht Wagner wie mikrobielle Lebensgemeinschaften in Böden oder Kläranlagen so manipuliert werde können, dass das Wachstum von Comammox- Bakterien gefördert werden kann. Die Förderung durch den Wittgenstein-Preis wird es Wagner erlauben, das 2019 an der Universität Wien neu gegründete Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemforschung als weltweit führenden Forschungsstandort in diesem Bereich auszubauen. Mit den Mitteln des Wittgenstein-Preises plant Wagner eine neue Generation an Methoden zur funktionellen Analyse von Mikrobiomen zu entwickeln und dabei die sogenannte nichtlineare Ramanspektroskopie (CARS, SRS) einzusetzen. Falls dies gelingt, würde die Analyse der Funktion einzelner Zellen in Mikrobiomen nicht mehr Stunden bis Tage benötigen, sondern könnte nahezu in Echtzeit durchgeführt werden und würde damit die Mikrobiomforschung revolutionieren. Zudem plant Wagner diese neu zu entwickelnden Verfahren in einem Mikrofluidik-basierten Zellsorter einzubauen und damit mit Hochdurchsatz lebende Mikroben mit definierten Funktionen aus komplexen Proben für die Anzucht oder genomische Analyse heraus zu sortieren und mit Hilfe dieser Verfahren beispielsweise völlig neuartige, an der Nitrifikation beteiligte Archaeen (eine spezielle Entwicklungslinie der Mikroben) in der Umwelt aufzuspüren. Wenn diese bislang nur theoretisch postulierten Mikroben tatsächlich existieren, würde dies erneut unser Verständnis des globalen Stickstoffkreislaufs transformieren und weitere, bislang versteckte Schlüsselakteure dieses wichtigen Stoffkreislaufs offenbaren.