Schlaf ist ein evolutionär konserviertes Verhalten aller Tiere mit Nervensystem – von Nesseltieren bis zum Menschen. Trotz des damit verbundenen Überlebensrisikos tritt Schlaf selbst bei Organismen mit sehr einfachen neuronalen Netzwerken auf. Welche grundlegenden Funktionen Schlaf für einzelne Nervenzellen erfüllt und warum er sich evolutionär etabliert hat, ist bislang jedoch nicht abschließend geklärt.

Aktuelle Arbeiten zeigen, dass Schlaf eine effiziente Reparatur von DNA-Schäden ermöglicht, die während der Wachphase entstehen. Eine zentrale Rolle spielen dabei reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die sowohl durch neuronale Aktivität als auch durch das Mikrobiom beeinflusst werden. Da nahezu alle Tiere ein Mikrobiom beherbergen, liegt die Vermutung nahe, dass mikrobielle Gemeinschaften bereits früh in der Evolution an der Regulation zellulären Stresses sowie von Schlaf- und Aktivitätsrhythmen beteiligt waren.

Das Projekt untersucht diese Zusammenhänge am Seeanemonen-Modellorganismus Nematostella vectensis, einem der evolutionär ältesten Tiere mit Nervensystem. Für Nematostella konnten bereits eine circadiane Uhr sowie schlafähnliche Zustände auf Basis genetischer und verhaltensbasierter Kriterien beschrieben werden. Zudem verändert sich die Zusammensetzung des Mikrobioms im Tagesverlauf.

Im Projekt werden neuronale Aktivität, ROS-Level sowie DNA-Schäden und Reparaturprozesse in lebenden Nematostella-Tieren mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersucht. Mithilfe von 3D-Video-Tracking und Live-Bildgebung werden Wildtyp- und Uhr-mutante Tiere über den Tages-Nacht-Zyklus hinweg analysiert, auch unter gezielten Schlafmanipulationen. Ergänzend werden metagenomische Methoden eingesetzt, um Dynamiken des Mikrobioms während Schlaf- und Wachphasen systematisch zu erfassen. Mikrobiom-Transplantationsexperimente sollen schließlich klären, wie mikrobielle Gemeinschaften circadiane Rhythmen, zellulären Stress und den Schlafdruck beeinflussen.

Das Projekt ist als interdisziplinäre deutsch-israelische Kooperation angelegt und vereint Expertise aus molekularer Neurowissenschaft, Meeresbiologie, Mikrobiologie und physikalischer Chemie. Neben neuen Einblicken in die evolutionären Ursprünge von Schlaf und circadianen Rhythmen trägt es zum besseren Verständnis der grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Nervensystem und Mikrobiom bei.

Das Projekt wird im Rahmen des GIF Nexus Programms gefördert.