Mikrobiom

Metagenomik in der Mikrobiomforschung

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Mikroorganismen und das Mikrobiom?

Als im 18. Jahrhundert die Fortschritte in der Mikroskopie erstmals die Existenz von Mikroorganismen ans Licht brachten, konnten sich nur wenige das ganze Ausmaß ihrer Allgegenwart auf dieser Erde und darüber hinaus vorstellen. Ohne Übertreibung kann man sagen, dass Mikroorganismen die Welt regieren (1). Sie sind fast überall zu finden, auch in den rauesten und unwirtlichsten Umgebungen. Es hat sich gezeigt, dass Mikroorganismen an der Regulierung sowohl der physikalischen Umwelt als auch der organischen Biosphäre beteiligt sind. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Mikroorganismen eine Vielzahl von Beziehungen – manche vorteilhaft, manche nachteilig – mit einzelligen und mehrzelligen Organismen, darunter dem Menschen, eingegangen sind. Die Bedeutung von Mikroorganismen für die menschliche Gesundheit und Erkrankungen ist in den letzten Jahrzehnten überdeutlich geworden (1).

Mikroorganismen regieren die Welt.

Das vielleicht größte Hindernis für das Verständnis der Mikroorganismen ist die Komplexität dieser Beziehungen. Ein Großteil unseres Wissens auf dem Gebiet der Mikrobiologie stammt aus Studien mit Reinkulturen – der Isolierung und Züchtung eines reinen Stamms eines Mikroorganismus unter kontrollierten Bedingungen. Allerdings können nicht alle Mikroorganismen in Kulturen gezüchtet werden, und die künstliche Reinkultur beraubt die Mikroorganismen ihrer Interaktionen mit anderen Arten, die ihre Eigenschaften, ihr Verhalten und ihren evolutionären Weg bestimmt haben. Das bedeutet, dass die Genotypen und Phänotypen der Mikroorganismen in der Petrischale sehr wahrscheinlich anders sind als in der freien Natur (1).

Was genau ist Metagenomik?

Vereinfacht gesagt, ist die Metagenomik, auch bekannt als Gemeinschaftsgenomik, die genetische Untersuchung von mikrobiellen Gemeinschaften in ihrem natürlichen Lebensraum. Aus der Sicht der Mikrobiologie untersucht die Metagenomik Mikroorganismen, die nicht kultiviert werden können. Diese Alternative zur genetischen Homogenität der Reinkultur gibt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern die Möglichkeit, die außergewöhnliche Vielfalt der mikrobiellen Gemeinschaften besser zu erfassen. Die Untersuchung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften wiederum ermöglicht der Wissenschaft ein besseres Verständnis sowohl unserer eigenen Physiologie als auch der Systeme der Welt, in der wir leben (1).

Verfahren zur Untersuchung des Mikrobioms

Die Shotgun-Sequenzierung bietet die Möglichkeit, neben Bakterien gleichzeitig auch nichtbakterielle Mikroorganismen (z. B. Pilze und Viren) zu untersuchen (2), was jedoch einen höheren Arbeitsaufwand für die Sequenzierung erfordert. Als Alternative kann sich die 16S-Sequenzierung ausschließlich auf ein Gen konzentrieren. Die 16S-Sequenzierung ist insbesondere für Untersuchungen zur bakteriellen Phylogenie und Taxonomie nützlich (2). Die Metatranskriptomik, d. h. die Untersuchung der metagenomischen Boten-RNA (mRNA), ist äußerst hilfreich bei Untersuchungen, wie sich die durch metagenomische Studien aufgedeckten Unterschiede auf die Genregulation und -expression auswirken.

Beschränkungen der derzeitigen Verfahren

So vielversprechend dies auch klingen mag, die Metatranskriptomik kann durch technische Hindernisse wie die kurze Halbwertszeit der mRNA eingeschränkt werden. Mit der Weiterentwicklung der NGS-Technologie wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Techniken entwickelt und anschließend an metagenomische Ansätze angepasst. In der Anfangsphase der mikrobiellen Metagenomik wurden viele Studien mit mittlerer Read-Länge (~800 bp) durchgeführt, beispielsweise mit der Pyrosequenzierung (z. B. auf der Roche^® 454 Plattform) (4). Im Laufe der Zeit boten Techniken mit kürzerer Read-Länge (z. B. Illumina^®-Sequenzierung) eine kostengünstigere Alternative mit höherem Durchsatz.

Die Sequenzierung mit kurzer Read-Länge hat jedoch ihre eigenen Probleme mit bestimmter systematischer Messabweichung und technischen Hürden. In jüngster Zeit haben technologische Fortschritte den Übergang zur Sequenzierung mit langen Read-Längen erleichtert, wobei Techniken (z. B. SMRT-Sequenzierung und Nanoporen-Sequenzierung) jetzt in der Lage sind, Reads mit einer Länge von mehreren zehn Kilobasen zu erzeugen. Obwohl diese längeren Reads fehleranfälliger sind, haben sie sich für die Assemblierung geschlossener Genome als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sequenziertiefe hoch genug ist, um eine Fehlerkorrektur zu ermöglichen (5). Da jedoch im Vergleich zur Illumina-Sequenzierung nur wenige genetische Informationen generiert werden und große Mengen an Roh-DNA-Proben benötigt werden, sind diese Techniken derzeit vielleicht besser für die Sequenzierung des gesamten Genoms und ähnliche Anwendungen geeignet (6).

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Literatur:

National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications. The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
Jovel, J. et al. (2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics. Front Microbiol. 7, 459.
Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls. Clin. Microbiol. 45(9), 2761–2764.
Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing. Environ. Microbiol. 1096, 183–201.
Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly. Curr. Opin. Microbiol. 23, 110–120.
Driscoll, C. B. et al. (2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture. Stand. Genomic Sci. 12, 9.