Mikrobielle Präzisionsgenomik

Das menschliche Mikrobiom ist eine komplexe Gemeinschaft von Mikroorganismen, die den menschlichen Wirt besiedeln, und gilt als wichtiger Faktor für Gesundheit und Krankheit. Sowohl die Zusammensetzung als auch die genetischen Informationen in dieser Gemeinschaft sind nicht statisch: Durch horizontalen Gentransfer können beispielsweise Antibiotikaresistenzen oder Virulenzfaktoren auf verschiedene Bakterienarten übertragen werden. Unsere Forschungsgruppe entwickelt computergestützte Modelle und Analyseansätze, um Evolution und Variation mikrobieller Genome mechanistisch zu verstehen und wie diese mit Gesundheit und Krankheit beim Menschen zusammenhängen.

Dr. Jakob Wirbel

Leitung

Dr. Jakob Wirbel
Forschungsgruppenleiter

Unsere Forschung

Mikroben sind praktisch überall auf der Erde zu finden, auch auf und in Menschen, und oft in komplexen und dynamischen Gemeinschaften. Unter normalen Bedingungen können diese Gemeinschaften für den Menschen von Vorteil sein, indem sie Stoffwechselinteraktionen vermitteln, die Immunität des Wirts regulieren oder Infektionen mit Krankheitserregern verhindern. Eine Dysregulation dieser komplexen Interaktion zwischen Mikroben und Wirt kann hingegen zu Krankheiten beitragen. Mikrobielle Genome verändern sich in Zeiträumen, die für die menschliche Gesundheit relevant sind, beispielsweise durch horizontalen Gentransfer von Antibiotikaresistenzen.

Die Mission der Nachwuchsgruppe „Mikrobielle Präzisionsgenomik” besteht darin, ein mechanistisches Verständnis der Variation und Evolution mikrobieller Genome und deren Zusammenhang mit menschlichen Krankheiten zu erlangen. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickeln wir Methoden des maschinellen Lernens, innovative bioinformatische Analyseansätze und setzen Long-Read-Metagenomsequenzierung ein.

Die Dynamik des Mikrobioms verstehen

Das Mikrobiom spielt eine Rolle für eine Vielzahl verschiedener Erkrankungen des Menschen, darunter Darmkrebs, entzündliche Darmerkrankungen und sogar neurodegenerative Erkrankungen. Die genauen Mechanismen, die diesen Zusammenhängen zugrunde liegen, sind jedoch oft unbekannt. Eine Herausforderung besteht darin, dass viele Studien Querschnittsdesigns verwenden, also Momentaufnahmen des Mikrobioms untersuchen. Dadurch sind die Schlussfolgerungen, die aus den Daten gezogen werden können, eingeschränkt, da dynamische Entwicklungen des Mikrobioms nicht abgebildet werden können. In letzten Jahren wurden vermehrt longitudinale Mikrobiomstudien publiziert. Diese hochkomplexen Daten gehen mit einem Bedarf an neuartigen bioinformatischen Werkzeugen und Analyseansätzen einher. Unsere Gruppe konzentriert sich darauf, die Dynamik des Mikrobioms besser zu verstehen, beispielsweise durch die Quantifizierung des Wechsels von bakteriellen Stämmen oder Prophageninduktion.

Quantifizierung der Dynamik mikrobieller Genome durch Long-Read-Sequenzierung

Mikrobielle Genome entwickeln sich in klinisch relevanten Zeiträumen, was besonders wichtig ist, wenn man die Ausbreitung von Virulenzfaktoren oder Antibiotikaresistenzgenen betrachtet. Unser Verständnis dieser Entwicklung basiert größtenteils auf der Messung von Mutationen einzelner Nukleotide, da diese Art von Variation mit gängigen Sequenzierungstechnologien am einfachsten zu bewerten ist. Große strukturelle Variationen, horizontaler Gentransfer oder Infektionen mit Phagen, die sich ins bakterielle Genom integrieren, sind jedoch zusätzliche Variationstypen, deren Quantifizierung bisher schwierig war. In den letzten Jahren wurden Long-Read-Sequenzierungstechnologien entwickelt, die eine beispiellose Leistungsfähigkeit bei der Aufdeckung großer struktureller Variationen in mikrobiellen Genomen versprechen. Unsere Gruppe entwickelt computergestützte Werkzeuge für die Analyse von Long-Read-Metagenomdaten, um die Evolutionsmuster von mit dem Menschen assoziierten Mikroben aufzudecken und den horizontalen Gentransfer in komplexen mikrobiellen Gemeinschaften zu quantifizieren.

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