Studie beschreibt neue Methode zur Untersuchung der verwirrenden Vielfalt des Mikrobioms

In den letzten Jahren haben Forscher damit begonnen, die riesige Ansammlung von Mikroben auf und im menschlichen Körper zu erforschen. Dazu gehören Protisten, Archaeen, Pilze, Viren und eine große Anzahl von Bakterien, die in symbiotischen Ökosystemen leben.

Diese winzigen Einheiten, die zusammen als das menschliche Mikrobiom bekannt sind, beeinflussen eine erstaunliche Bandbreite von Aktivitäten, vom Stoffwechsel bis zum Verhalten, und spielen eine zentrale Rolle bei Gesundheit und Krankheit. Etwa 39 Billionen nichtmenschliche Mikroben gedeihen auf und in uns in einem unaufhörlichen, voneinander abhängigen Treiben. Zusammen machen sie über die Hälfte der menschlichen Körperzellen aus, obwohl sie möglicherweise 500-mal so viele Gene besitzen, wie in menschlichen Zellen zu finden sind. Diese mikrobielle Mischung zu identifizieren und zu verstehen, war eine zentrale Herausforderung für Forscher.

In einer neuen Studie beschreiben Qiyun Zhu und seine Kollegen eine neue Methode zur Untersuchung des Mikrobioms in beispielloser Detailgenauigkeit. Die Technik bietet im Vergleich zu bestehenden Ansätzen eine größere Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit. Mit der neuen Technik demonstrieren die Forscher eine verbesserte Fähigkeit, biologisch relevante Merkmale, einschließlich Alter und Geschlecht eines Probanden, basierend auf Mikrobiomproben zu lokalisieren.

Die innovative Forschung verspricht schnelle Fortschritte bei der Erforschung der Geheimnisse des Mikrobioms. Mit diesem Wissen hoffen die Forscher, besser verstehen zu können, wie diese Mikroben gemeinsam zum Schutz der menschlichen Gesundheit beitragen und wie ihre Fehlfunktion zu einer Vielzahl von Krankheiten führen kann. Mit der Zeit können Medikamente und andere Therapien sogar auf der Grundlage des mikrobiomischen Profils eines Patienten maßgeschneidert werden.

Professor Zhu ist Forscher am Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiology und der School of Life Sciences der ASU. Das Forschungsteam umfasst Mitarbeiter der University of California, San Diego, einschließlich des Co-Korrespondenzautors Rob Knight, Zhus ehemaligem Mentor.

Die Forschungsergebnisse der Gruppe erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift mSysteme.

Werkzeuge des Handels

Zwei leistungsstarke Technologien wurden eingesetzt, um Forschern dabei zu helfen, die Vielfalt und Komplexität des Mikrobioms zu erschließen, indem sie die in einer Probe vorhandene mikrobielle DNA sequenzieren. Diese sind als 16S- und metagenomische Sequenzierung bekannt. Die in der aktuellen Studie beschriebene Technik nutzt die Stärken beider Methoden, um eine neue Art der Verarbeitung von Daten aus dem Mikrobiom zu schaffen.

„Wir leihen uns etwas von der Weisheit, die sich aus der 16S-RNA-Sequenzierung entwickelt hat, und wenden sie auf die Metagenomik an“, sagt Zhu. Im Gegensatz zu anderen Sequenzierungsmethoden, einschließlich 16S, ermöglicht die Metagenomik Forschern, alle in einer Mikrobiomprobe vorhandenen DNA-Informationen zu sequenzieren. Doch die neue Studie zeigt, dass der metagenomische Ansatz noch verbesserungsfähig ist. „Die Art und Weise, wie Menschen derzeit metagenomische Daten analysieren, ist begrenzt, weil ganze Genomdaten zuerst in Taxonomie übersetzt werden müssen.“

Die neue Technik, die als Operational Genomic Units (OGU) bekannt ist, beseitigt die mühsame und manchmal irreführende Praxis, der Vielzahl von in einer Probe vorhandenen Mikroben taxonomische Kategorien wie Gattung und Art zuzuordnen. Stattdessen verwendet das Verfahren einzelne Genome als Grundeinheiten für die statistische Analyse und versucht einfach, in einer Probe vorhandene Sequenzen mit Sequenzen abzugleichen, die in bestehenden Genomdatenbanken gefunden werden.

Auf diese Weise können Forscher eine viel feinkörnigere Auflösung erzielen, was besonders nützlich ist, wenn Mikroben vorhanden sind, die in der DNA-Sequenz eng verwandt sind. Dies ist wahr, weil die meisten taxonomischen Klassifikationen auf Sequenzähnlichkeit basieren. Wenn sich zwei Sequenzen um weniger als einen bestimmten Schwellenwert unterscheiden, fallen sie in dieselbe taxonomische Kategorie, der OGU-Ansatz kann Forschern jedoch dabei helfen, sie voneinander zu unterscheiden.

Darüber hinaus überwindet das Verfahren Fehler in der Taxonomie, die als Relikte aus der Zeit vor der Sequenzierung bestehen bleiben, als verschiedene Arten eher durch ihre Morphologie als durch DNA-Sequenzdaten definiert wurden.

Neben der Verbesserung der Auflösung und Einfachheit kann OGU Forschern helfen, Daten mithilfe sogenannter phylogenetischer Bäume zu analysieren. Wie der Name schon sagt, handelt es sich dabei um verzweigte Strukturen, die den Grad der Verwandtschaft zwischen Organismen anhand ihrer Sequenzähnlichkeit beschreiben können. So wie zwei entfernt verwandte Arten wie Würmer und Antilopen auf weiter entfernten Zweigen eines phylogenetischen Baums erscheinen, so werden auch entfernter verwandte Bakterien und andere Bestandteile des Mikrobioms auftauchen.

Innovationen in der Sequenzierung

Die am weitesten verbreitete Technik zur Sondierung des Mikrobioms, bekannt als 16S-Ribosomen-RNA-Sequenzierung oder einfach 16S, beruht auf einer einfachen Idee. Alle Bakterien haben ein 16S-Gen, das für die Maschinerie, die Bakterien benötigen, um die Proteinsynthese zu initiieren, unerlässlich ist. Das 1500 Basenpaare lange bakterielle 16S-Gen besteht aus verschiedenen Regionen. Einige dieser Regionen ändern sich zwischen verschiedenen Bakterien und über evolutionäre Zeiträume nur sehr wenig, während andere sehr variabel sind.

Die Forscher erkannten, dass die konservierten und variablen Regionen des 16S-Gens es ihm ermöglichen, als molekulare Uhr zu fungieren, die Bakterien verfolgt, die aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit enger oder entfernter verwandt sind. Somit können die 8 konservierten und 9 variablen Regionen von 16S zum Fingerabdruck von Bakterien verwendet werden.

Dazu wird zunächst eine Mikrobiomprobe entnommen. Dies kann eine Kotprobe zur Beurteilung des Darmmikrobioms oder eine Haut- oder Mundprobe sein. Jede Körperstelle beherbergt eine andere Bakterienmenagerie.

Als nächstes wird die PCR-Technologie verwendet, um Teile des 16S-Gens zu amplifizieren. Durch die Sequenzierung hochkonservierter Regionen kann eine große Bandbreite von Bakterien identifiziert werden, während die Sequenzierung variabler Regionen dabei hilft, die Identität bestimmter Bakterien einzugrenzen.

Obwohl 16S eine kostengünstige und gut entwickelte Methode ist, hat sie Einschränkungen. Die Technik kann nur mit begrenzter Auflösung eine allgemeine Vorstellung von den vorhandenen Bakterienarten geben. Im Allgemeinen ist 16S nur bis zur Identifizierungsebene der Gattung genau.

Geben Sie die metagenomische Sequenzierung ein. Diese Technik sequenziert die vollständigen Genome aller Mikroben, die in einer Mikrobiomprobe vorhanden sind (nicht nur Bakterien, wie bei 16S). Die Metagenomik ermöglicht es Forschern, Tausende von Organismen parallel zu sequenzieren, was eine genaue Auflösung auf Speziesebene ermöglicht. Die höhere Auflösung ist jedoch mit Kosten verbunden. Metagenomische Daten sind weitaus reichhaltiger und rechnerisch anspruchsvoller zu analysieren als 16S-Daten und zeit- und kostenintensiver in der Verarbeitung.

Ein neuer Weg für die Metagenomik

Die OGU-Technik rationalisiert die metagenomische Sequenzierung und bietet gleichzeitig eine noch höhere Auflösung. Der Ansatz klassifiziert Mikroben in einer Probe streng nach ihrem Abgleich mit einer Referenzdatenbank – es ist keine taxonomische Zuordnung erforderlich. Der Ansatz ermöglicht es Forschern, den Grad der Artenvielfalt in einer Probe zu bewerten.

Verglichen mit 16S und der standardmäßigen metagenomischen Sequenzierung ist der neue Ansatz überlegen, biologisch relevante Informationen aufzuspüren. Unter Verwendung des klassischen Human Microbiome Project-Datensatzes von 210 Metagenomen, die von sieben Körperstellen männlicher und weiblicher Probanden entnommen wurden, zeigt die Studie eine bessere Korrelation zwischen Körperstelle und Wirtsgeschlecht.

Als nächstes wurden 6.430 Stuhlproben, die durch eine Zufallsstichprobe der finnischen Bevölkerung gesammelt wurden, analysiert, wobei sowohl 16S- als auch metagenomische Sequenzierung verwendet wurden. Die Proben gehören zu einer großen, zufällig ausgewählten Kohorte der finnischen Bevölkerung, bekannt als FINRISK. Ziel war es, das Alter der beprobten Personen auf der Grundlage der mikrobiellen Zusammensetzung des Darms vorherzusagen. Auch hier übertraf die OGU-Methode die 16S- und die herkömmliche metagenomische Analyse und lieferte genauere Vorhersagen.

Neue Forschungsergebnisse, die sich auf noch größere Datensätze stützen, werden die Auflösung der neuen Technik weiter verbessern und die Beschreibungskraft der taxonomieunabhängigen Analyse erweitern.