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Schuster, Stefan, Univ.-Prof. Dr.
Professur für BioinformatikRaum 3403
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena -
Chakraborty, Suman
Professur für BioinformatikRaum 3427
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena -
Dwivedi, Shalu
Professur für BioinformatikRaum 3422A
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena -
Türpitz, Sonja
Professur für BioinformatikRaum 3429
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena -
Malycheva, Tatjana
Professur für BioinformatikRaum 3429
Ernst-Abbe-Platz 1-2
07743 Jena
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Projektbeschreibung
Die polymorphe Hefe Candida albicans und der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus sind die wichtigsten lebensbedrohlichen humanpathogenen Pilze. Beide Pilze haben mehrere Strategien entwickelt, um das menschliche Immunsystem anzugreifen und zu umgehen. Mit evolutionärer Spieltheorie und dynamischer Optimierung analysieren wir die Interaktionen zwischen diesen Pilzen und dem menschlichen Immunsystem. Dazu untersuchen wir beispielsweise Payoff-Matrizen im Hinblick auf aggressive Strategien und friedlicher Koexistenz. In einem weiteren Ansatz nutzen wir ein dynamisches Populationsmodell, um die Charakteristika einer optimalen Immunantwort während einer Pilzinfektion zu verstehen.
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Ausgewählte Literatur
- J. Ewald, P. Sieber, R. Garde, S.N. Lang, S. Schuster, B. Ibrahim
Trends in mathematical modeling of host-pathogen interactions
Cell. Mol. Life Sci., 77 (2020) 467–480 - S. Dühring, J. Ewald, S. Germerodt, C. Kaleta, T. Dandekar and S. Schuster
Modelling the host–pathogen interactions of macrophages and Candida albicans using Game Theory and dynamic optimization
Journal of The Royal Society Interface 14 (132), 2017, 20170095K. - Czakai, M. Dittrich, M. Kaltdorf, T. Müller, S. Krappmann, A. Schedler, M. Bonin, S. Dühring, S. Schuster, C. Speth, G. Rambach, H. Einsele, T. Dandekar, J. Löffler
Influence of platelet-rich plasma on the immune response of human monocyte-derived dendritic cells and macrophages simulated with Aspergillus fumigatus
International Journal of Medical Microbiology 307 (2), 2017, 95–107 - S. Dühring, S. Germerodt, C. Skerka, P. F. Zipfel, T. Dandekar, S. Schuster
Host-pathogen interactions between the human innate immune system and Candida albicans - Understanding and modeling defense and evasion strategies
Frontiers in Microbiology 6 (625), 2015, https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00625Externer Link
- J. Ewald, P. Sieber, R. Garde, S.N. Lang, S. Schuster, B. Ibrahim
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Finanzierung
DFG Collaborative Research Center / Transregio 124 "FungiNet"
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Projektbeschreibung
Mehrere pathogene Ascomyceten wie Candida albicans sowie einige pathogene Zygomyceten zeigen ein interessantes Phänomen, das als irreführende Signalgebung oder als molekulares Mimikry betrachtet werden kann. Zum Beispiel bindet C. albicans menschliche Regulatoren wie den Komplementfaktor H und versteckt sich somit vom Immunsystem durch Tarnung. Dieser Ausweichmechanismus ist von hoher medizinischer Relevanz weil er lebensbedrohliche Pilzinfektionen fördern kann und bei Überreaktionen zu Autoimmunkrankheiten führen kann. Das Gleichgewicht zwischen Immunität und Autoimmunität zu erhalten stellt ein komplexes immunologisches Entscheidungsproblem dar. Das Immunsystem sollte sowohl die Anzahl der falsch negativen minimieren, d.h. die Krankheitserreger, die nicht als solche erkannt werden, als auch die Anzahl der falsch positiven, d.h. der eigenen Zellen, die fälschlicherweise angegriffen werden. Dies scheint ein bikriterielles Problem zu sein, in dem ein (optimaler) Kompromiss gefunden werden muss.
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Ausgewählte Literatur
- S. N. Lang, S. Germerodt, C. Glock, C. Skerka, P. F. Zipfel, S. Schuster
Molecular crypsis by pathogenic fungi using human factor H - A numerical model
PLOS One 14, 2019, e0212187 - S. Hummert, C. Glock, S. N. Lang, C. Hummert, C. Skerka, P.F. Zipfel, S. Germerodt, S. Schuster
Playing hide-and-seek with factor H: Game-theoretical analysis of a single nucleotide polymorphism
J. Royal Soc. Interface 15, 2018, 20170963 - S. Pande, F. Kaftan, S. Lang, A. Svatos, S. Germerodt, C. Kost
Privatization of cooperative benefits stabilizes mutualistic cross-feeding interactions in spatially structured environments
ISME Journal 10, 2016, 1413-1423
- S. N. Lang, S. Germerodt, C. Glock, C. Skerka, P. F. Zipfel, S. Schuster
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Finanzierung
Jena School for Microbial Communication (JSMC)
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Projektbeschreibung
Viele Interaktionen in der Natur beinhalten Abwehrmechanismen. Um diese Mechanismen zu umgehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Gegenabwehr. Beispielsweise produzieren manche Pilze und Streptomyceten Beta-Lactam-Antibiotika und viele Bakterienarten bilden im Gegenzug Beta-Lactamasen, die den Beta-Lactam-Ring öffnen.
Ein anderes Beispiel findet man in Pflanzen der Familie Brassicaceen. Diese verteidigen sich mit Glucosinolaten (GLS). Die gespeicherten GLS sind zunächst nicht toxisch, sondern werden durch Myrosinasen der Pflanzen in Isothiocyanate umgewandelt, sobald das Pflanzengewebe beschädigt wird (etwa durch Herbivorie). Spezialisierte Herbivoren der Brassicaceen haben in der Evolution spezifische Gegenabwehrmechanismen herausgebildet. Einige davon hemmen die Myrosinaseen, während andere die Hydrolyse in eine andere Richtung lenken, um weniger toxische Produkte zu bilden (z.B. Nitrile).
Aber alles hat seinen Preis – da die Gegenabwehr metabolische Kosten erfordert, erhebt sich die Frage, ob sie immer vorteilhaft ist. Außerdem ist nicht klar, warum spezialisierte Herbivoren toxische Pflanzen bevorzugen, obwohl sie dadurch in die Detoxifizierung investieren müssen.
Wir nutzen Methoden der Spieltheorie, Modellierung mit Differentialgleichungen und dynamische Optimierung, um solche Phänomene zu beschreiben und zu erklären.
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Literatur
- S. Schuster, J. Ewald, T. Dandekar, S. Dühring
Optimizing defence, counter-defence and counter-counter defence in parasitic and trophic interactions - A modelling study
arXiv:1907.04820, 2019,
- S. Schuster, J. Ewald, T. Dandekar, S. Dühring
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Finanzierung
International Max Planck Research School (IMPRS)
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Projektbeschreibung
Die Modellierung mikrobieller Interaktionen in komplexen räumlichen Umgebungen stellt gleichungsbasierte Modellierungsversuche häufig vor Herausforderungen. Deshalb versuchen wir stattdessen, über die Verwendung agentenbasierter Modellierung Einsichten in solche Systeme zu generieren. Dabei kollaborieren wir eng mit experimentellen Gruppen, um mit einem Wechselspiel aus Experiment und Simulation die relevanten Aspekte der zugrunde liegenden mikrobiellen Interaktionen zu identifizieren. In einer Kollaboration untersuchen wir beispielsweise Zyklen bei der Eisenrespiration durch die Bakterien Sideroxydans und Shewanella. Schlüsselfragen in diesem Kontext sind die Identifizierung optimaler Strategien der Bakterien in Hinblick auf den Durchsatz im Eisenzyklus und eine Bewertung des Einflusses von Umweltbedingungen, wie etwa der Sauerstoffkonzentration.
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Ausgewählte Literatur
S. Germerodt, K. Bohl, A. Lück, S. Pande, A. Schröter, C. Kaleta, S. Schuster, C. Kost: Pervasive Selection for Cooperative Cross-Feeding in Bacterial Communities, PLOS Computational Biology 12 (2016) e1004986
C. Tokarski, S. Hummert, F. Mech, M.T. Figge, S. Germerodt, A. Schroeter, S. Schuster: Agent-based modeling approach of immune defense against spores of opportunistic human pathogenic fungi, Frontiers in Microbial Immunology 3 (2012) 129
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Finanzierung
Collaborative Research Center 1127 - Chemical mediators in complex biosystems (ChemBioSys)
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Projektbeschreibung
Biofilme sind ein hervorragendes Beispiel für die ökologische Interaktion zwischen Bakterien. Oszillationen in Biofilmen sind ein aufkommendes Thema. Auf molekularer Ebene sind diese Oszillationen auf den Metabolitenaustausch zwischen peripheren und inneren Zellen zurückzuführen. Wir sind daran interessiert, die Dynamik dieser Oszillationen durch mathematische Modellierung und Vergleiche mit verschiedenen wohlbekannten Oszillatoren wie den von Goodwin beschriebenen zu untersuchen.
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Literatur
- R. Garde, J. Ewald, A.T. Kovacs, S. Schuster
Modelling population dynamics in a unicellular social organism community using a minimal model and evolutionary game theory
Open Biology 10 (11), 2020, 200206 - R. Garde, B. Ibrahim, S. Schuster
Extending the minimal model of metabolic oscillations in Bacillus subtilis biofilms
Scientific Reports 10, 2020, 5579 - R.Garde, B.Ibrahim, Á.T.Kovács, S.Schuster
Differential equation-based minimal model describing metabolic oscillations in Bacillus subtilis biofilms
Royal Society Open Science 7, 2020, 190810
- R. Garde, J. Ewald, A.T. Kovacs, S. Schuster
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Finanzierung
International Max Planck Research School (IMPRS)