Forscher haben „intelligente Pinzetten“ entwickelt, die bestimmte Bakterienstämme aus den Billionen von Mikrobiomen heraussuchen und ihre Genome kosten- und ressourcenschonender sequenzieren können als bestehende Methoden. Dieses vielseitige Werkzeug ermöglicht eine präzise Untersuchung des Mikrobioms und führt zu Durchbrüchen bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten.
Die Sequenzierung des Bakteriengenoms hat unser Verständnis der Biologie vieler bakterieller Krankheitserreger erheblich verbessert und neue Antibiotika-Ziele identifiziert. Wenn es um das Mikrobiom geht, wollen Forscher oft nur eine Bakterienart untersuchen und nicht alle. Das Problem besteht darin, dass ein bestimmtes Bakterium nur Teil einer komplexen Umgebung ist, die andere Bakterien, Viren, Pilze und Wirtszellen umfasst, von denen jede über eine eigene, ebenso komplexe DNA verfügt.
Derzeit müssen Wissenschaftler einen bestimmten Bakterienstamm aus einer bestimmten Probe isolieren und Kulturmedien verwenden, um diesen Stamm selektiv zu züchten. Dies ist ein zeit- und ressourcenaufwändiger Prozess, der nicht bei allen Bakterien funktioniert. Forscher der Icahn School of Medicine am Mount Sinai in den Vereinigten Staaten haben jedoch eine innovative Methode, mEnrich-seq, auf den Markt gebracht, die das Niveau der Mikrobiomforschung deutlich verbessern soll.
„Stellen Sie sich vor, Sie sind Wissenschaftler und müssen eine bestimmte Art von Bakterien in einer komplexen Umgebung untersuchen“, sagte Fang Gang, der korrespondierende Autor der Studie. „mEnrich-seq stellt Forschern im Grunde eine ‚intelligente Pinzette‘ zur Verfügung, mit der sie die Teile aufnehmen können, die sie interessieren.“
Bei der Entwicklung von mEnrich-seq zielten die Forscher darauf ab, Bakterien vor der Sequenzierung voneinander zu unterscheiden, um die Bakterien von Interesse anzureichern und Hintergrund-DNA zu entfernen. Dazu nutzt das Tool natürlich vorkommende bakterielle DNA-Methylierungsmotive, die „Geheimcodes“ auf der bakteriellen DNA, die Bakterien nutzen, um sich als Teil ihres eigenen Immunsystems zu profilieren. Tatsächlich steht im Namen „mEnrich-seq“ „m“ für Methylierung und „seq“ für Sequenzierung.
Sobald die Forscher sie mit der „intelligenten Pinzette“ herausgepickt haben, können sie ein oder mehrere Genome der Zielbakterien zusammensetzen, um sie genauer zu untersuchen. Die Forscher demonstrierten die Leistungsfähigkeit von mEnrich-seq, indem sie mEnrich-seq zur Rekonstruktion des Genoms von E. coli verwendeten, indem sie Urinproben von drei Patienten mit Harnwegsinfektionen (UTI) analysierten. Sie fanden heraus, dass das Tool mehr als 99,97 % der Genome in allen drei Proben abdeckte und so eine umfassende Analyse der Antibiotikaresistenzgene in jedem Genom ermöglichte. mEnrich-seq ermöglicht kulturfreie Studien von E. coli-Genomen im Urinmikrobiom mit höherer Empfindlichkeit (geringere relative Bakterienhäufigkeit) im Vergleich zu Standardmethoden.
Anschließend richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf Akkermansiamuciniphila, ein Bakterium, das den Darm besiedelt und mit Erkrankungen wie Fettleibigkeit und Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht wird. Auch die Isolierung dieses Bakteriums aus Stuhlproben ist bekanntermaßen schwierig. Dies gelang den Forschern jedoch mithilfe der mEnrich-seq-Technologie, die mehr als 99,7 % des Genoms von Shigella dysenteriae in den drei Proben abdeckte.
Die Forscher sagen, dass mEnrich-seq eine wirtschaftlichere Methode für die Mikrobiomforschung darstellt, die besonders für groß angelegte Studien mit begrenzten Ressourcen von Vorteil ist und so neue Horizonte in verschiedenen Forschungsbereichen eröffnet. Sie sagten, mEnrich-seq könne sich auf eine Vielzahl von Bakterien konzentrieren und sei ein vielseitiges Werkzeug für Forschung und klinische Anwendungen. Durch gezieltere Mikrobiomstudien kann mEnrich-seq die Entwicklung neuer Diagnosewerkzeuge und Behandlungen beschleunigen.
„Das Aufregendste an mEnrich-seq ist sein Potenzial, bisher übersehene Details aufzudecken, wie etwa Antibiotikaresistenzgene, die herkömmliche Sequenzierungsmethoden aufgrund unzureichender Empfindlichkeit nicht erkennen konnten“, sagte Fang. „Dies könnte ein wichtiger Schritt zur Bekämpfung des globalen Problems der Antibiotikaresistenz sein.“
Die Forscher planen, das Tool zu verbessern, um seine Effizienz weiter zu steigern und seine Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern. Es ist vorgesehen, dass mEnrich-seq zu einem sensiblen und vielseitigen Werkzeug in der zukünftigen Mikrobiomforschung und klinischen Anwendungen wird.
Die Forschung wurde in der Zeitschrift Nature Methods veröffentlicht.