„In klinischen Proben kann taxonomisches Profiling beispielsweise wichtige Informationen über Mikroorganismen liefern, die für eine Infektion von Bedeutung sein könnten“, erklärt Prof. Alice McHardy, Leiterin der Forschungsgruppe „Bioinformatik der Infektionsforschung“ am HZI. „Taxonomische Profiler können die gängigen Diagnoseverfahren ergänzen und so dabei helfen, potenzielle Krankheitserreger genauer zu untersuchen. Zudem ist ihre Anwendung auch über den klinischen Bereich hinaus von Bedeutung, etwa in der Erforschung des menschlichen Mikrobioms oder in der Umweltforschung.“
Beim taxonomischen Profiling werden die Sequenzierungsdaten der zu untersuchenden Probe mit frei zugänglichen Genomdatenbanken abgeglichen, die die Erbinformationen bekannter Mikroorganismen abbilden. Allerdings birgt dieses Verfahren verschiedene mögliche Fehlerquellen, die zu falsch-positiven Ergebnissen führen können. So können verschiedene Arten von Mikroorganismen sehr ähnliche DNA-Sequenzen besitzen, möglich sind auch Fehler in den hinterlegten Genomdatensätzen. Weiterhin kann es bei der Probenvorbereitung im Labor zu Verunreinigungen mit mikrobieller DNA kommen, die in den verwendeten Laborreagenzien enthalten ist. Im Ergebnis können diese Fehlerquellen dazu führen, dass Mikroorganismen als in der Probe enthalten angezeigt werden, die jedoch gar nicht enthalten sind.
„Für ein verlässliches Ergebnis ist es wichtig zu wissen, an welchen Stellen des Genoms Übereinstimmungen ermittelt wurden“, sagt Dr. Zhi-Luo Deng, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Alice McHardy und Erstautor der Studie. „Wenn ein Mikroorganismus tatsächlich in der Probe enthalten ist, sollte es über das Genom verteilt an mehreren Stellen Übereinstimmungen geben. Falsch-positive Signale sind im Gegensatz dazu häufig nur auf einen oder wenige Bereiche beschränkt.“
Basierend auf diesem Gedanken entwickelte das Forschungsteam den neuartigen taxonomischen Profiler Metax. Er funktioniert auf Basis eines speziellen Algorithmus, mit dem es gelingt, die in den Proben enthaltenen Mikroorganismen treffsicherer aufzuspüren als dies mit bisherigen Profilern möglich war. Denn Metax bezieht die Verteilung der genetischen Übereinstimmungen über das Genom eines Mikroorganismus mit ein. Durch die zusätzliche Information kann Metax verlässlicher als andere Profiler zwischen tatsächlich in der Probe enthaltenen Mikroorganismen und falsch-positiven Ergebnissen unterscheiden. Damit liefert Metax ein vollständigeres Bild der mikrobiellen Gemeinschaft in einer Probe und kann genauer abschätzen, wie häufig die verschiedenen Mikroorganismen vorkommen.
Metax kann ein breites Spektrum an Mikroorganismen analysieren, darunter Bakterien, Archaeen, Pilze und andere eukaryotische Mikroorganismen sowie Viren. Um zu prüfen, wie treffsicher Metax tatsächlich arbeitet, haben die Forschenden ihren Profiler bereits bekannte genetische Sequenzdaten analysieren und auch gegen andere taxonomische Profiler antreten lassen. „Die Analyse mit Metax war tatsächlich überraschend genau und treffsicher. Unser Profiler lieferte aussagekräftigere Ergebnisse als andere Profiler“, sagt McHardy. „Selbst bei kleinen Proben, die nur wenig genetisches Material enthalten, liefert Metax ausgezeichnete Analyseergebnisse – qualitativ wie auch quantitativ. Mit Metax kann also besser die mikrobielle Nadel im Heuhaufen gefunden werden.“
Zu wissen, welche Mikroorganismen in einer Probe enthalten sind und zu welchem Anteil, ist in vielen Bereichen wichtig. Verlässliches taxonomisches Profiling kann bei der Charakterisierung des menschlichen Mikrobioms helfen, die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften und ihre damit verbundenen Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit aufzudecken sowie potenzielle Biomarker auszumachen. Bei der Abwasserüberwachung kann es helfen, zirkulierende Krankheitserreger zu verfolgen und frühzeitig vor Ausbrüchen zu warnen, die sonst möglicherweise unbemerkt blieben. Auch in der Umweltforschung wäre ein Einsatz denkbar, um Bakteriengemeinschaften und ihre Interaktionen untereinander sowie mit ihren jeweiligen Lebensräumen besser zu verstehen. Präziseres taxonomisches Profiling, wie dies jetzt mit Metax möglich ist, könnte künftig in der klinischen Praxis dabei helfen, potenzielle Krankheitserreger verlässlich aufzuspüren, insbesondere in Proben, die nur wenig mikrobielles Material enthalten.
In weiterführenden Forschungsarbeiten möchte das Team um McHardy den Profiler Metax weiter optimieren und sein Potenzial für die Mikrobiomforschung und klinische Untersuchungen umfassend evaluieren. Die Forschungsgruppe „Bioinformatik der Infektionsforschung“ hat ihren Sitz am Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS), einem gemeinsamen Forschungszentrum des HZI und der Technischen Universität Braunschweig. Alice McHardy ist zudem Wissenschaftlerin im Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) sowie im Exzellenzcluster RESIST.
Metax ist für Forschungszwecke frei verfügbar.
Text: Nicole Silbermann
