Das Who’s who komplexer mikrobieller Ökosysteme

Ein therapeutischer Rundumschlag

Soll ein Patient mit einer fulminanten bakteriellen Infektion therapiert werden, wird zwar auch ein Abstrich genommen, um nach einer Inkubation Informationen über die (Haupt-)Bösewichte zu erhalten. Aber gleichzeitig wird meist vorsichtshalber mit einem Breitbandantibiotikum behandelt, um die bakterielle Last möglichst schnell zu reduzieren und die Infektion zu bekämpfen. Das ist für die Akutsituation richtig und wichtig, damit es dem Patienten schnell besser geht. Es kann allerdings dazu führen, dass neben den schlechten auch zu viele gute Bakterien eliminiert werden und die Mikroflora nachhaltig gestört wird – mit eventuell langwierigen Folgen. Man denke beispielsweise nur an die steigende Zahl von schweren Infektionen mit Clostridioides (früher: Clostridium)difficile. Auf der anderen Seite dauert es einige Zeit, bis die Urheber der Infektion aus einem Abstrich zunächst kultiviert und anschließend eindeutig identifiziert sind, um schließlich nach Erstellung eines Antibiogramms ein spezifisch wirksames Antibiotikum einsetzen zu können. Zeit, die der Patient eventuell nicht hat.

Wünschenswert wäre also eine Möglichkeit, eine bakterielle Infektion wesentlich schneller und trotzdem sicher charakterisieren zu können. Erst vor kurzem hat eine Veröffentlichung in der Zeitschrift „Nature Biotechnology“ für Auf­sehen gesorgt, in der eine Methode zur sicheren Charakterisierung von Infektionen der unteren Atemwege in nur sechs Stunden beschrieben wurde. Nur sechs Stunden! Das ist natürlich wirklich ein Wort.

Ein analytischer Rundumschlag

Die Wunderwaffe, die bei diesem und ähnlichen Ansätzen eingesetzt wurde, ist die sogenannte Metagenomik. Oft taucht dieser Begriff in Verbindung mit „Nanopore“ auf. Kaum, dass Termini wie Genomik, Transkriptomik oder Proteomik erfolgreich in den Wortschatz aufgenommen wurden, kommt jetzt also das Ganze mit der Silbe „Meta“ daher – wer soll sich da noch auskennen? Wird das dann zusätzlich mit „Nano“ kombiniert, klingt alles extrem modern, aber auch extrem verwirrend.

Natürlich hat „Metagenomik“ ebenso wie die „Genomik“ etwas mit der Sequenzierung von DNA zu tun, und zwar nicht nur von einzelnen Genen, sondern von einem ganzen Genom eines Organismus. Wer erinnert sich nicht noch an das humane Genomprojekt zur Aufklärung der Nukleotidabfolge in der menschlichen DNA, das 1990 gestartet wurde. Bereits damals machten zwei unterschiedliche methodische Ansätze von sich reden: Während die Human Genome Organisation sehr strukturiert Chromosom für Chromosom sequenzierte, wollte Craig Venter mit seiner Firma Celera das Ziel mit dem sogenannten Whole Genome Shotgun Sequencing erreichen. Bei dieser Methode wird das komplette Genom eines Organismus unspezifisch und zufällig in kleinere Stücke zerschnitten, die sequenziert werden. Anschließend werden die Ergebnisse mithilfe von Computerprogrammen auf überlappende Bereiche analysiert und darüber die verschiedenen Chromosomen quasi zusammengesetzt – ähnlich wie einzelne Puzzlestücke, die später ein komplettes Bild ergeben.

Durch die Weiterentwicklung der Sequenziertechniken und der bioinformatischen Möglichkeiten hat sich diese Methode in der Genomik soweit durchgesetzt, dass jetzt nicht mehr nur Genome einzelner, isolierter Organismen untersucht werden, sondern die Genome aller Organismen eines bestimmten Lebensraums. Es war wieder Craig Venter, der diesen Ansatz maßgeblich weiterentwickelte: 2004 veröffentlichte er zusammen mit einem ganzen Stab an Wissenschaftlern in der renommierten Zeitschrift „Science“ ein Sequen­zierprojekt aller Organismen in der Sargassosee, einem Meeresgebiet nahe den Bermuda-Inseln im Atlantik. Dafür wurden großvolumige Wasserproben filtriert und die Filter direkt dazu verwendet, daraus DNA zu isolieren und zu sequenzieren. Dies war die Geburtsstunde der Metagenomik-Projekte, also der Genomanalyse ganzer Lebensräume (Biotope) und das direkt aus Umweltproben. Egal welche Lebensgemeinschaft (Biozönose) von Interesse war, man konnte nun direkt aus dem Probenmaterial Sequenzinformationen erhalten und mit Datenbanken abgleichen. Das Resultat ist die Zusammensetzung der einzelnen Individuen einer Lebensgemeinschaft. Für die Ökosystem- und Bio­diversitätsforschung ist die Metagenomik mittlerweile unverzichtbar geworden, sie hat diese Bereiche geradezu revolutioniert. Wenn man sich vergegenwärtigt, dass mehr als 99% aller Mikroorganismen nicht kultivierbar sind, kann man sich die Tragweite dieser neuen Forschungsrichtung vorstellen. Auch die Pharmazie wird in Zukunft davon pro­fitieren, denn die Metagenomik hat sich im Bereich der Naturstoffforschung bereits etabliert, sodass neue Wirkstoff­kandidaten zu erwarten sind.

Natürlich wird die Metagenomik inzwischen auch für Proben aus menschlichen Lebensräumen angewendet, seien es Stuhlproben, Urinproben oder Abstriche von der Haut. Bei der bereits erwähnten, in „Nature Biotechnology“ veröffentlichten Studie wurden verschiedene Proben aus der Lunge (Sputum, endotracheales Aspirat und bronchoalveolare Lavage) analysiert. Je nachdem, welcher Lebensraum untersucht werden soll, ist das große Problem jedoch die Menge an „Hintergrund-DNA“. Bei Infektionen der unteren Atemwege finden sich in den Proben neben Mikroorganismen natürlich auch viele Zellen des menschlichen Wirts. Während jedoch typische Bakteriengenome in der Größenordnung von 2 bis 5 × 10⁶ Basenpaare umfassen, trägt jede menschliche Zelle genetische Information aus 3 × 10⁹ Basenpaaren.Eine einzige Zelle des Wirtsorganismus liefert also ungefähr soviel DNA wie 1000 Bakterien! Die Herausforderung besteht somit darin, zunächst die Menge menschlicher DNA stark zu reduzieren, bevor die Genome der Mikroorganismen sequenziert werden können. Der Trick, den die Wissenschaftler mit den Lungenproben angewendet haben, war, menschliche Zellen zunächst durch Behandlung mit einem Saponin zu lysieren und so zu entfernen. Die Bakterien­zellen überstanden diese Prozedur unbeschadet und konnten anschließend mittels eines optimierten Lyse-Protokolls recht quantitativ aufgeschlossen und die DNA analysiert werden.

Was sind die Limitationen der Methode?

Aus dem MinION-Handgerät kommen allerdings zunächst nur DNA-Sequenzen, also Basenabfolgen. Zu welchen Bakterien sie gehören, kann erst durch Vergleich mit Datenbanken festgestellt werden, in der möglichst viele Genome von Mikroorganismen abgelegt sind. Die Firma Oxford Nanopore Technologies liefert für ihre Sequenzierautomaten auch gleich das Analyseprogramm „What’s in my pot?“ (WIMP) mit. Letztlich können also nur diejenigen Sequenzen, die bereits bekannt sind, zugeordnet werden. Dadurch, dass aber bereits Erfahrungswerte aus klassischen Kulturen der Bakterienabstriche vorhanden sind, lassen sich beispielsweise Pathogene aus Atemwegsinfektionen leichter identifizieren. Ebenfalls über WIMP ist eine Datenbank für Resistenzgene mit dem Kürzel ARMA (Antimicrobial Resistance Mapping Application) verfügbar, über die einzelne Sequenzdaten abgeglichen werden können und die direkt Hinweise liefern, welche Antibiotika nicht zur Therapie eingesetzt werden sollten.

Die Metagenomik steht und fällt mit den verfügbaren Sequenzen, die in Datenbanken abgelegt sind, und mit der Rechnerkapazität, die nötig ist, um die aus den Proben erhaltenen Daten entsprechend abzugleichen. Dann kommt noch einiges an Statistik dazu, um Aussagen über Treffsicherheit und Spezifität machen zu können.

Über entsprechende Versuche mit Lungenabstrichen gesunder Probanden, bei denen die Proben gezielt mit bestimmten Bakterien versetzt wurden, konnte eine Nachweisgrenze von 10³ bis 10⁵ koloniebildende Einheiten pro Milliliter gezeigt werden. Sind also zum Zeitpunkt der Probenentnahme (noch) weniger Bakterien einer bestimmten Art enthalten, könnte die Identifizierung schwierig werden. Allerdings hat auch die klassische Methode über die Kultivierung der Bakterien eine vergleichbare Nachweisgrenze.

Fazit

Die Metagenomik ist nicht nur ein spannendes Feld für die biologische Forschung zur Identifizierung von Species in verschiedenen Lebensräumen, sondern wird auch eine enorme Bereicherung für die Diagnostik von Infektionskrankheiten einzelner Patienten sowie für die Überwachung von Epidemien darstellen. Noch sind die Kosten für die Nanopore-Sequenzierung recht hoch: Eine MinION-Messzelle kostet noch 500 bis 900 US-Dollar. Allerdings lohnt sich diese Investition, wenn Patienten dadurch der Krankenhausaufenthalt verkürzt oder eine (zu wirksame) Therapie mit einem Breitbandantibiotikum erspart werden kann. |