Forschende der Universität Bielefeld haben gemeinsam mit Kolleg*innen der Hunan University in China eine neue Methode zur metagenomischen Analyse entwickelt. Das Verfahren, genannt „HyLight“, ermöglicht die präzise Assemblierung von mikrobiellen Gemeinschaften auf Stammebene, selbst bei begrenzter Sequenzierungsabdeckung. Die Ergebnisse der Forschungsgruppe werden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
Die Rekonstruktion mikrobieller Gemeinschaften auf Stammebene ist für die moderne Mikrobiologie besonders herausfordernd. Unterschiedliche Stämme derselben Art können stark variierende Eigenschaften aufweisen, die etwa für Medikamentenresistenzen oder virulente Wechselwirkungen relevant sind. Bestehende Technologien, wie die Next-Generation-Sequenzierung (NGS) und Third-Generation-Sequenzierung (TGS), liefern entweder zu kurze oder zu fehleranfällige Lesedaten, um diese Komplexität adäquat zu erfassen. HyLight kombiniert die Stärken beider Technologien und bietet eine Lösung für diese zentralen Herausforderungen.
© Universität Bielefeld/Sarah Jonek
Alexander Schönhuth, Professor für Genome Data Science (Genom-Datenwissenschaft) an der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld und Letztautor der Studie, erklärt: „Mit HyLight zeigen wir, dass eine präzise, stammaufgelöste Assemblierung von Metagenomen möglich ist, ohne die hohen Kosten und Fehlerquoten, die bisherige Technologien erfordern.“
Kostengünstige und genaue Methode
HyLight erreicht seine Ergebnisse durch den Einsatz eines sogenannten „strain-resolved overlap graph“ (OG), der die Stärken von NGS- und TGS-Daten kombiniert. Im Vergleich zu bestehenden Methoden liefert HyLight um 19,05 Prozent genauere Assemblierungen, während die Kosten durch die Verwendung von Daten mit geringer Abdeckung deutlich reduziert werden konnten. Dies ermöglicht es auch kleineren Laboren weltweit, von dieser Technologie zu profitieren.
„Unser Ziel war unter anderem, eine Methode zu entwickeln, die sowohl von hochbudgetierten als auch von kleineren Laboren eingesetzt werden kann, ohne Abstriche bei der Qualität der Assemblierung machen zu müssen“, erklärt Erstautor Xiongbin Kang, der sich mit diesem Thema ausführlich in seiner Dissertation beschäftigt und erst kürzlich an der Universität Bielefeld promoviert wurde.
Zukunftsaussichten für die Forschung
Die neuen Möglichkeiten, die HyLight bietet, könnten die Erforschung mikrobieller Gemeinschaften revolutionieren. Die stammgenaue Auflösung ist besonders in der medizinischen Forschung von Bedeutung, da sich Mikrobenstämme je nach genetischer Zusammensetzung unterschiedlich auf den menschlichen Körper auswirken können. Auch in der Umweltforschung könnte HyLight neue Einblicke in die Dynamik von mikrobiellen Ökosystemen liefern.
Die HyLight-Entwicklung steht in engem Zusammenhang mit dem von der EU geförderten Promotionsnetzwerk Alpaca und dem ebenfalls von der EU geförderten Verbundprojekt Pangaia, die sich beide mit mikrobiellen Gemeinschaften und deren Genomassemblierung beschäftigen. Insbesondere das Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld spielt hierbei eine zentrale Rolle. Die neuen Ergebnisse könnten die Möglichkeiten zur Analyse mikrobieller Stämme, insbesondere in ökologischen und medizinischen Kontexten, erheblich erweitern.
Originalveröffentlichung
Xiongbin Kang, Wenhai Zhang, Yichen Li, Xiao Luo, Alexander Schönhuth: HyLight: Strain aware assembly of low coverage metagenomes. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-024-52907-0, veröffentlicht am 07. Oktober 2024.
