Bei einer akuten, lebensbedrohlichen Infektion zählt oft jede Stunde. Wer die Erreger in einer Probe schnell und zweifelsfrei benennen kann, verschafft sich einen entscheidenden Vorsprung bei Diagnose und Therapie. Genau an dieser Stelle setzt ein neues Analyse-Werkzeug an, das Forschende am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig entwickelt haben. Es hört auf den Namen „Metax“ und soll mikrobielle Gemeinschaften deutlich präziser durchleuchten als bisherige Verfahren.
Solche computergestützten Programme, in der Fachsprache taxonomische Profiler genannt, arbeiten nach einem klaren Prinzip. Sie gleichen die sequenzierten Erbinformationen aus einer Probe mit riesigen Datenbanken bekannter Mikroorganismen ab. Das Metagenom bündelt dabei das Erbgut sämtlicher Kleinstlebewesen in einer Umgebung, während das Genom für die Erbinformation eines einzelnen Organismus steht. In der Praxis stoßen die etablierten Werkzeuge jedoch an Grenzen, weil ihre Ergebnisse häufig nicht genau genug ausfallen.
Die Krux liegt in den falsch-positiven Treffern. Unterschiedliche Arten können erstaunlich ähnliche DNA-Sequenzen tragen, in den hinterlegten Datensätzen schleichen sich Fehler ein, und selbst gängige Laborreagenzien enthalten manchmal fremde mikrobielle DNA. Am Ende erscheinen dann Organismen auf der Liste, die in der Probe gar nicht vorkommen. Für eine verlässliche Diagnose ist das ein ernstes Problem.
Der Ansatz der Braunschweiger Gruppe klingt fast simpel, ist aber wirkungsvoll. „Wenn ein Mikroorganismus tatsächlich in der Probe enthalten ist, sollte es über das Genom verteilt an mehreren Stellen Übereinstimmungen geben“, erläutert Dr. Zhi-Luo Deng, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe und Erstautor der Studie. „Falsch-positive Signale sind im Gegensatz dazu häufig nur auf einen oder wenige Bereiche beschränkt.“ Metax wertet also nicht nur aus, ob es Treffer gibt, sondern auch, wie sie sich über das gesamte Erbgut verteilen. Diese zusätzliche Information macht den Unterschied.
Wie treffsicher das Verfahren arbeitet, prüfte das Team mit bereits bekannten Sequenzdaten und ließ Metax gegen konkurrierende Profiler antreten. „Die Analyse mit Metax war tatsächlich überraschend genau und treffsicher“, sagt Prof. Alice McHardy, Leiterin der Forschungsgruppe „Bioinformatik in der Infektionsforschung“. „Selbst bei kleinen Proben, die nur wenig genetisches Material enthalten, liefert Metax ausgezeichnete Analyseergebnisse – qualitativ wie auch quantitativ. Mit Metax kann also besser die mikrobielle Nadel im Heuhaufen gefunden werden.“ Das Programm bewältigt dabei ein breites Spektrum, von Bakterien und Archaeen über Pilze bis hin zu Viren.
Der Nutzen reicht weit über die Klinik hinaus. In der Erforschung des menschlichen Mikrobioms hilft präzises Profiling, Zusammenhänge zwischen mikrobiellen Gemeinschaften und Gesundheit sichtbar zu machen. Bei der Abwasserüberwachung lassen sich zirkulierende Erreger verfolgen und Ausbrüche früher erkennen. Auch die Umweltforschung profitiert, wenn Bakteriengemeinschaften und ihre Lebensräume genauer beschrieben werden können.
Veröffentlicht wurde die Arbeit im Fachmagazin Cell. Die Forschungsgruppe ist am Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS) angesiedelt, einem gemeinsamen Zentrum des HZI und der Technischen Universität Braunschweig. Metax steht für Forschungszwecke frei zur Verfügung. In den nächsten Schritten will das Team um McHardy das Werkzeug weiter verfeinern und sein Potenzial für Mikrobiomforschung und klinische Anwendung umfassend bewerten.
