Ana­ly­se von Um­welt­mi­kro­ben mit phy­lo­F­lash

Max-Planck-Forschende entwickeln nutzerfreundliche Software, mit der sie SSU-rRNA von Metagenom-Daten rekonstruieren können

9. November 2020

Mit wel­chem Or­ga­nis­mus sie es zu tun ha­ben, be­stim­men Mi­kro­bio­lo­gen oft mit­hil­fe der klei­nen Un­ter­ein­heit der ri­bo­so­ma­len RNA, der so­ge­nann­ten SSU rRNA. Die­ses Mar­ker-Gen er­laubt es, fast je­des Le­be­we­sen, also nicht nur Bak­te­ri­en, son­dern bei­spiels­wei­se auch Tie­re, zu iden­ti­fi­zie­ren und ih­nen da­mit ih­ren Platz im Stamm­baum des Le­bens zu­zu­wei­sen. For­schen­de am Bre­mer Max-Planck-In­sti­tut für ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie stel­len nun eine Me­tho­de vor, die die­se Lü­cke schließt und es er­laubt, aus den Roh­da­ten von Me­ta­ge­no­men die SSU rRNA zu re­kon­stru­ie­ren und ana­ly­sie­ren.

Kennt man die Po­si­ti­on im Stamm­baum, kann man spe­zi­fi­sche Son­den ent­wi­ckeln, um mit die­sen die ge­fun­de­nen Or­ga­nis­men sicht­bar zu ma­chen – eine Me­tho­de na­mens FISH (Fluo­res­zenz in situ Hy­bri­di­sie­rung). FISH nutzt man bei­spiels­wei­se, um Zel­len zu sor­tie­ren oder die Mor­pho­lo­gie oder Lage von Or­ga­nis­men zu­ein­an­der mi­kro­sko­pisch zu er­fas­sen. Ins­ge­samt wird die­se es­sen­ti­el­le Me­tho­de der mo­le­ku­la­ren Öko­lo­gie – die von der DNA zum SSU rRNA-Gen zum Stamm­baum und schließ­lich zum Bild führt – „full-cy­cle rRNA-An­satz“ ge­nannt.

Um die SSU rRNA er­fass­bar zu ma­chen, wur­de sie tra­di­tio­nell mit­tels Po­ly­me­ra­se-Ket­ten­re­ak­tio­nen (PCR) ver­viel­facht. Heu­te wird die PCR zu­se­hends von der so­ge­nann­ten Me­ta­ge­no­mik, die die Ge­samt­heit al­ler Gene in ei­nem Le­bens­raum er­fasst, ab­ge­löst. Ra­san­te me­tho­di­sche Fort­schrit­te er­lau­ben mitt­ler­wei­le die schnel­le und ef­fi­zi­en­te Pro­duk­ti­on gro­ßer me­ta­ge­no­mi­scher Da­ten­men­gen. Hier­bei er­folgt die Ana­ly­se über deut­lich kür­ze­re DNA-Se­quenz­ab­schnit­te, viel kür­zer als das SSU rRNA-Gen, die an­schlie­ßend auf­wän­dig zu­sam­men­ge­setzt (as­sem­bliert) und dann in so­ge­nann­te MAGs („Me­ta­ge­nom-as­sem­blier­te Ge­no­me“) ein­ge­teilt wer­den.

Die kur­zen Gen­schnip­sel lie­fern kei­ne voll­stän­di­ge SSU rRNA, und selbst in vie­len As­sem­blie­run­gen und den re­sul­tie­ren­den MAGs fin­den wir die­ses so wich­ti­ge Mar­ker-Gen nicht. Da­durch ist es nur schwer mög­lich, die in den Me­ta­ge­no­men ge­fun­de­nen Or­ga­nis­men mo­le­ku­lar zu iden­ti­fi­zie­ren, mit be­ste­hen­den Da­ten­ban­ken zu ver­glei­chen oder sie gar sie mit FISH spe­zi­fisch zu vi­sua­li­sie­ren.

phy­lo­F­lash schafft Ab­hil­fe

„Die Soft­ware na­mens phyloFlash, die über GitHub frei verfügbar ist, ver­bin­det den full-cy­cle rRNA An­satz zur Iden­ti­fi­zie­rung und Vi­sua­li­sie­rung nicht-kul­ti­vier­ter Mi­kro­or­ga­nis­men mit den me­ta­ge­no­mi­schen Ana­ly­sen; bei­des Tech­ni­ken die am Bre­mer Max-Planck-In­sti­tut gut eta­bliert sind“, er­klärt Ha­rald Gru­ber-Vo­di­cka, der die Me­tho­de fe­der­füh­rend ent­wi­ckelt hat.

„phy­lo­F­lash um­fasst alle er­for­der­li­chen Schrit­te, von der Vor­be­rei­tung der nö­ti­gen Ge­nom-Da­ten­bank (in die­sem Fall SIL­VA), der Da­ten­ex­trak­ti­on und ta­xo­no­mi­schen Klas­si­fi­zie­rung über die As­sem­blie­rung bis zur Ver­bin­dung der SSU rRNA-Se­quen­zen mit MAGs.“ Zu­dem ist die Soft­ware sehr nut­zer­freund­lich und so­wohl In­stal­la­ti­on als auch An­wen­dung sind weit­ge­hend au­to­ma­ti­siert.

Be­son­ders ge­eig­net für ein­fa­che Ge­mein­schaf­ten

Die beiden Hauptautoren teilen eine Leidenschaft für Bioinformatik und symbiotische Lebewesen im Meeressand. Hier suchen unter dem Mikroskop nach kleinen Würmern, auf der Carrie Bow Cay Field Station in Belize.

Gru­ber-Vo­di­cka und sein Kol­le­ge Bran­don Seah – bei­de sind Er­st­au­to­ren der Ver­öf­fent­li­chung in der Fach­zeit­schrift mSystems, in der phy­lo­F­lash nun vor­ge­stellt wird – kom­men ei­gent­lich aus der Sym­bio­se­for­schung. Die Ge­mein­schaf­ten, mit de­nen sie es dort zu tun ha­ben, sind ver­gleichs­wei­se ein­fach: Übli­cher­wei­se ist es ein Wirts­or­ga­nis­mus, der mit ei­nem oder meh­re­ren mi­kro­bi­el­len Sym­bi­on­ten zu­sam­men­wohnt. Sol­che Ge­mein­schaf­ten ei­ge­nen sich be­son­ders gut für die Ana­ly­se mit phy­lo­F­lash.

„Wir for­schen bei­spiels­wei­se viel an der Tief­see­mu­schel Bathymodiolus, die gleich meh­re­re bak­te­ri­el­le Un­ter­mie­ter be­her­bergt“, so Gru­ber-Vo­di­cka. „An­hand die­ser be­kann­ten Ge­mein­schaft konn­ten wir gut prü­fen, ob und wie ver­läss­lich phy­lo­F­lash funk­tio­niert.“ Und tat­säch­lich iden­ti­fi­zier­te die neue Soft­ware zu­ver­läs­sig so­wohl die Mu­schel als auch ihre ver­schie­de­nen Sym­bi­on­ten.

Niko Leisch, eben­falls Sym­bio­se­for­scher am Max-Planck-In­sti­tut für ma­ri­ne Mi­kro­bio­lo­gie, tes­te­te phy­lo­F­lash an klei­nen ma­ri­nen Fa­den­wür­mern. Bei Ana­ly­sen ver­schie­de­ner die­ser un­schein­ba­ren Wür­mer zeig­te sich, dass ei­ni­ge der un­ter­such­ten Ar­ten mit bis­her un­be­kann­ten Sym­bi­on­ten as­so­zi­iert zu sein schei­nen. „Die­se span­nen­den Ein­bli­cke un­ter­strei­chen das gro­ße Po­ten­zi­al un­se­rer ein­fa­chen und schnel­len Me­tho­de“, be­tont Gru­ber-Vo­di­cka.

Open­Sour­ce und uni­ver­sell ein­setz­bar

phy­lo­F­lash ist eine Open­Sour­ce-Soft­ware. Durch aus­führ­li­che Do­ku­men­ta­ti­on und eine sehr ak­ti­ve Ge­mein­schaft ist ihre kon­ti­nu­ier­li­che Prü­fung und Wei­ter­ent­wick­lung si­cher­ge­stellt. „phy­lo­F­lash ist si­cher nicht nur für Mi­kro­bio­lo­gen in­ter­es­sant“, be­tont Gru­ber-Vo­di­cka. „Schon jetzt grei­fen zahl­rei­che For­schen­de aus viel­fäl­ti­gen Fach­ge­bie­ten auf un­se­re Soft­ware zu. Hilf­reich da­für war si­cher­lich die ein­fa­che In­stal­la­ti­on, die die Schwel­le zur Be­nut­zung sehr nied­rig macht.“

Die­ser ein­fa­che Zu­gang und der in­ter­ak­ti­ve Cha­rak­ter ist auch Bran­don Seah, der mitt­ler­wei­le am Max-Planck-In­sti­tut für Ent­wick­lungs­bio­lo­gie tä­tig ist, be­son­ders wich­tig: „Das Be­frie­di­gends­te für mich an die­sem Pro­jekt ist es zu se­hen, wie an­de­re Men­schen un­se­re Soft­ware für ihre ei­ge­ne For­schung nut­zen“, sagt Seah. „Von An­fang an ha­ben wir als Re­ak­ti­on auf das Feed­back un­se­rer Nut­zer Funk­tio­nen hin­zu­ge­fügt und die Soft­ware wei­ter­ent­wi­ckelt. Die­se Nut­zer sind nicht nur Kol­le­gin­nen und Kol­le­gen am Ende des Flurs, son­dern auch Men­schen von der an­de­ren Sei­te der Welt, die es aus­pro­biert ha­ben und on­line mit uns in Kon­takt ge­tre­ten sind. Das un­ter­streicht, wie Open Sour­ce pro­duk­ti­ver und vor­teil­haf­ter so­wohl für die Soft­ware­ent­wick­lung als auch für die Wis­sen­schaft ist.“

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