Neue Maßstäbe für die metagenomische Mikrobiomanalyse

Ein Forschungsteam der RWTH Aachen hat eine wichtige Methode der metagenomischen Mikrobiomanalyse systematisch auf Potenzial und Grenzen geprüft. Die Ergebnisse sollen ein präziseres Verständnis davon ermöglichen, welche Bakterien den menschlichen Darm besiedeln und wie sie unsere Gesundheit beeinflussen.

Der menschliche Körper beherbergt Billionen von Mikroorganismen – vor allem im Darm –, die eine Vielzahl biologischer Prozesse beeinflussen, von der Verdauung über das Immunsystem bis hin zur psychischen Gesundheit. Entsprechend groß ist das Interesse daran, die Zusammensetzung und Funktion unseres Mikrobioms zu entschlüsseln.

Ein Team unter der Leitung von Dr. Thomas Clavel, Professor am Institut für Medizinische Mikrobiologie an der Uniklinik RWTH Aachen, hat dafür die zentrale Methode der Metagenomsequenzierung systematisch analysiert. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit Forschenden in Wien (Österreich) und Maastricht (Niederlande), die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Microbiology“ veröffentlicht.

Shotgun-Sequenzierung systematisch überprüft

Zur Analyse von Mikrobiomen werden in der Regel die DNA-Sequenzen aller Mikroben einer Gemeinschaft bestimmt. Auf diese Weise lässt sich sowohl identifizieren, welche Mikroben vorhanden sind als auch welche Gene sie enthalten. Das Team um Clavel und Erstautorin Dr. Nicole Treichel konzentrierte sich auf die sogenannte Shotgun-Sequenzierung. Bei diesem Verfahren wird die gesamte DNA zufällig in kurze Fragmente zerlegt, sequenziert und anschließend mithilfe bioinformatischer Verfahren wieder zusammengesetzt. Obwohl dieser Ansatz zur Analyse mikrobieller Gemeinschaften weit verbreitet ist, wurde er bislang kaum systematisch anhand von Referenzdatensätzen mit bekannter Zusammensetzung überprüft.

Für die Analyse stellte das Team verschiedene komplexe Mischungen bakterieller DNA mit bestimmten Zusammensetzungen her. Durch die Sequenzierung dieser Proben konnten die Forschenden präzise bestimmen, welche Informationen sich bei unterschiedlicher Sequenzierungstiefe gewinnen lassen. Dabei zeigte sich, dass sich die taxonomische Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften bereits bei vergleichsweise geringer Sequenzierungstiefe (unter eine Gb pro Probe) zuverlässig erfassen lässt – vorausgesetzt, geeignete Referenzgenomdatenbanken stehen zur Verfügung. Das ist vor allem für die Kostenplanung groß angelegter Studien von Bedeutung.

Rekonstruktion der Genome als Nadelöhr

Deutlich anspruchsvoller ist hingegen die Rekonstruktion vollständiger Genome einzelner Bakterienstämme, sogenannter metagenom-assemblierter Genome (MAGs). Diese erfordert eine etwa zehnfach höhere Sequenzierungstiefe und ist zudem anfällig für Artefakte. Auch die funktionelle Charakterisierung von Mikrobiomen erfordert deutlich tiefere Sequenzierungen: Die Identifizierung einzelner Proteine setzt eine etwa fünfmal höhere Sequenzierungstiefe voraus als die Analyse allgemeiner biologischer Prozesse.

Auch die Vergleichbarkeit von Ergebnissen zwischen verschiedenen Laboren ist relevant. Die Forschenden zeigten, dass unterschiedliche experimentelle Protokolle und hohe Mengen an Hintergrund-DNA die Ergebnisse verfälschen können. Diese Effekte lassen sich jedoch durch eine entsprechend höhere Sequenzierungstiefe abmildern.

„Die Diversität zwischen Bakterienstämmen trägt wesentlich zu funktionellen Unterschieden in den Mikrobiomen verschiedener Individuen bei. Entsprechend groß ist das Interesse, die Genome einzelner Mikrobiom-Mitglieder zu rekonstruieren“, so Clavel. „Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass dies selbst bei hoher Sequenzierungstiefe ein anspruchsvolles Unterfangen ist. Je nach bioinformatischem Ansatz sind nur 50 bis 80 Prozent der rekonstruierten Sequenzen korrekt“, ordnet der Wissenschaftler die Erkenntnisse abschließend ein.

Das könnte Sie auch interessieren:

Tumormikrobiom: Untersuchungen brauchen standardisierte Methoden

Schlafmangel stört die Darmmikrobiota und hat Folgen für den Verlauf von Darmkrebs