Spieltheorie und zelluläre Dynamik

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.

• 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

DFG Collaborative Research Center / Transregio 124 "FungiNet"

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.

• 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

Jena School for Microbial Communication (JSMC)

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.

• 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,

 International Max Planck Research School (IMPRS)

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.

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

Collaborative Research Center 1127 - Chemical mediators in complex biosystems (ChemBioSys)

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.

• 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

 International Max Planck Research School (IMPRS)