+30 2410 565271 -72 -73 g-bio@bio.uth.gr

Συνθετική Μικροβιακή Οικολογία

synthetic-microbial-ecology

ECTS: 4

Επιλογής

[ Πρόγραμμα Μαθημάτων ]

Μαθησιακά Αποτελέσματα

Γνώσεις and κατανόηση

  1. Εξήγηση σε προχωρημένο επίπεδο των μοριακών, γενετικών, βιοχημικών και μηχανικών αρχών που διέπουν το σχεδιασμό και τη λειτουργία των συνθετικών βιολογικών συστημάτων.
  2. Ανάλυση της δομής, της δυναμικής και της αρθρωτής οργάνωσης των βιολογικών δικτύων και των μεταβολικών οδών.
  3. Κατανόηση και κριτική αξιολόγηση των σύγχρονων τεχνολογιών μηχανικής και των αυτοματοποιημένων πλατφορμών βιολογίας.
  4. Αξιολόγηση υπολογιστικών, βιοπληροφορικών και προσεγγίσεων μηχανικής μάθησης που χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό, τη μοντελοποίηση και τη βελτιστοποίηση βιολογικών συστημάτων.

Δεξιότητες

  1. Σχεδιασμός και εφαρμογή στρατηγικών για την κατασκευή συνθετικών γενετικών κυκλωμάτων, μεταβολικών δικτύων και επεξεργασμένων βιολογικών συστημάτων.
  2. Εφαρμογή πειραματικών τεχνικών στη μοριακή βιολογία, τη μηχανική γονιδιώματος και αυτοματοποιημένων πλατφορμών υψηλής απόδοσης για την ανάπτυξη νέων βιοτεχνολογικών εφαρμογών.
  3. Ανάλυση και ερμηνεία δεδομένων που παράγονται από τεχνολογίες υψηλής απόδοσης, όπως οι προσεγγίσεις πολυ-ομικής.
  4. Χρήση εργαλείων υπολογιστικής βιολογίας και μηχανικής μάθησης για την ανάλυση, προσομοίωση και βελτιστοποίηση συνθετικών βιολογικών συστημάτων.
  5. Σχεδιασμός και αξιολόγηση εφαρμογών συνθετικής βιολογίας στη βιοϊατρική, τη βιομηχανική βιοτεχνολογία, τη γεωργία και το περιβάλλον.
  6. Εφαρμογή του πλαισίου Σχεδιασμός-Κατασκευή-Δοκιμή-Μάθηση (DBTL) στην ανάπτυξη και βελτιστοποίηση συνθετικών βιολογικών συστημάτων.

Ικανότητες

  1. Σχεδιασμός και ανεξάρτητη διεξαγωγή ερευνητικών έργων στη συνθετική βιολογία, εφαρμόζοντας σύγχρονες πειραματικές, υπολογιστικές και αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες.
  2. Κριτική αξιολόγηση της επιστημονικής βιβλιογραφίας και ενσωμάτωση νέων ερευνητικών ευρημάτων στο σχεδιασμό βιολογικών συστημάτων.
  3. Ενσωμάτωση αρχών υπεύθυνης καινοτομίας, βιοηθικής, βιοασφάλειας και βιοπροστασίας στην έρευνα και την ανάπτυξη βιοτεχνολογικών εφαρμογών.
  4. Αποτελεσματική συνεργασία σε διεπιστημονικές ομάδες που συνδυάζουν τη βιολογία, τη μηχανική, την επιστήμη των υπολογιστών και τη χημεία.

Περιεχόμενο Μαθήματος

  • Από τα μεμονωμένα κύτταρα στη μηχανική κοινοτήτων, αρχές συνθετικής μικροβιακής οικολογίας και ορολογία
  • Περιγραφή των θεωριών της μικροβιακής οικολογίας (Υπόθεση της Μαύρης Βασίλισσας, Καταμερισμός Εργασίας, Υπόθεση της Κόκκινης Βασίλισσας) και παραδείγματα για το πού και πώς εφαρμόζεται στη Συνθετική Μικροβιακή Οικολογία
  • Αρχές αλληλεπιδράσεων μικροβίου-μικροβίου (π.χ. συμβιωσιμότητα, συνέργεια, αμοιβαιότητα κ.λπ.),
  • Ανάλυση ισορροπίας ροής και εφαρμογές στο σχεδιασμό συνθετικών μικροβιακών κοινοτήτων
  • Σχεδιασμός ρυθμιστικών μηχανισμών για συνθετικές μικροβιακές κοινότητες (π.χ. ανίχνευση Qorum)
  • Πώς να κατασκευάσετε συνθετικές μικροβιακές κοινότητες: προσεγγίσεις από πάνω προς τα κάτω και από κάτω προς τα πάνω, πότε και πώς να χρησιμοποιήσετε τη μία ή την άλλη, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
  • Μικρορευστολογία και η εφαρμογή της σε διαμερισματοποιημένες συνθετικές μικροβιακές κοινότητες
  • Γενετική μηχανική μικροβιώματος
  • Υπολογιστική βιολογία στο σχεδιασμό συνθετικών μικροβιακών κοινοτήτων, η χρήση δεδομένων ομικής και πολυομικής, σχεδιασμός και επικύρωση in silico, Κλίμακα Γονιδιώματος Μεταβολικά Μοντέλα
  • Εφαρμογές στην υγεία, τη βιομηχανία και το περιβάλλον 11. Ηθικές και βιοασφάλειες των συνθετικών μικροβιακών κοινοτήτων

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

  • Morris JJ (2015) Black Queen evolution: the role of leakiness in structuring microbial communities. Trends Genet. 31:475-482
  • Zengler & Zaramela (2018) The social network of microorganisms — how auxotrophies shape complex communities. Nat. Rev. Microbiol. 16:383–90
  • Mee et al., (2014) Synthrophic exchange in synthetic microbial communities. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1405641111
  • Chen et al., (2022) Design, construction, and in vivo augmentation of a complex gut microbiome Cell 185, 3617–3636
  • Dolinsek et al. (2016) Synthetic microbial ecology and the dynamic interplay between microbial genotypes. FEMS Microbiology Reviews fuw024, 40, 961–979
  • Großkopf & Soyer, (2014) Synthetic Microbial Communities. Current Opinion in Microbiology 18: 72-77
  • Johns et al., (2016) Principles for designing synthetic microbial communities. Current Opinion in Microbiology 31: 146-153
  • De Roy et al., (2013) Synthetic microbial ecosystems: an exciting tool to understand and apply microbial communities. Environmental Microbiology 16(6), 1472–1481
  • Wang Z, Wang S, He Q, Yang X, Zhao B, Zhang H, Deng Y. Ecological design of high-performance synthetic microbial communities: from theoretical foundations to functional optimization. ISME Commun. 2025 5(1):ycaf133. doi: 10.1093/ismeco/ycaf133
  • Zhang, M.Jing, L.Lyu, et al. “Principles for Rigorous Design and Application of Synthetic Microbial Communities.” Adv. Sci.13, no. 10 (2026): e14750. https://doi.org/10.1002/advs.202514750
  • Karkaria, B.D., Fedorec, A.J.H. & Barnes, C.P. Automated design of synthetic microbial communities. Nat Commun 12, 672 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20756-2
  • Li M, Hu J, Wei Z, Jousset A, Pommier T, Yu X, Xu Y, Shen Q. Synthetic microbial communities: Sandbox and blueprint for soil health enhancement. Imeta. 2024, 3(1):e172. doi: 10.1002/imt2.172
  • Lawson CE, Harcombe WR, Hatzenpichler R, Lindemann SR, Löffler FE, O’Malley MA, García Martín H, Pfleger BF, Raskin L, Venturelli OS, Weissbrodt DG, Noguera DR, McMahon KD. Common principles and best practices for engineering microbiomes. Nat Rev Microbiol. 2019 Dec;17(12):725-741. doi: 10.1038/s41579-019-0255-9
  • Henry, L.P., Bergelson, J. Applying ecological principles to microbiome engineering. Nat Microbiol10, 2111–2121 (2025). https://doi.org/10.1038/s41564-025-02076-7
  • Del Carattore and Breitling (2026) Engineering microbiomes for natural product discovery and production. Natural Products Report 43: 301
  • Wang Z, Wang S, He Q, Yang X, Zhao B, Zhang H, Deng Y. Ecological design of high-performance synthetic microbial communities: from theoretical foundations to functional optimization. ISME Commun. 2025, 5(1):ycaf133. doi: 10.1093/ismeco/ycaf133
  • Vasileiadis S., Perruchon C., Sheer B., Adrian L., Steinbach N., Trevisan M., Aguera A., Chatzinotas A., Karpouzas D.G., (2022) Nutritional inter-dependencies and a carbazole-dioxygenase are key elements of a consortium relying on a Sphingomonas for the degradation of the fungicide thiabendazole. Environmental Microbiology 24(11):5105-5122
  • Garcia-Ruiz M., Brader G., Saraiva JP., Guijarro Díaz-Otero B., Karpouzas D.G., Declerck S., (2025) Machine learning for designing low risk microbial consortia pesticides. Trends in Biotechnology
  • Anna Matuszyńska, Oliver Ebenhöh, Matias D Zurbriggen, Daniel C Ducat, Ilka M Axmann, A new era of synthetic biology—microbial community design, Synthetic Biology, Volume 9, Issue 1, 2024, ysae011, https://doi.org/10.1093/synbio/ysae011
  • Rafiennia et al., (2022) Division of labor for substrate utilization in natural and synthetic microbial communities. Current Opinion in Biotechnology 75: 102706
  • Du H, Li M, Liu Y. Towards applications of genome-scale metabolic model-based approaches in designing synthetic microbial communities. Quant Biol. 2023 Mar 1;11(1):15-30. doi: 10.15302/J-QB-022-0313.