Neue Maßstäbe für die metagenomische Mikrobiomanalyse gesetzt

Ein Forschungsteam der RWTH Aachen hat eine essenzielle Methode zur Charakterisierung des Darmmikrobioms systematisch auf ihre Möglichkeiten und Limitationen untersucht. Da der menschliche Körper Billionen von Mikroorganismen beherbergt, die Prozesse von der Verdauung bis zur psychischen Gesundheit beeinflussen, ist die präzise Entschlüsselung dieser Gemeinschaften von großem Interesse. Unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Clavel analysierte das Team, in Kooperation mit Forschenden aus Wien und Maastricht, hierfür die zentrale Technik der Metagenomsequenzierung.

Im Fokus stand dabei die sogenannte Shotgun-Sequenzierung, bei der die gesamte mikrobielle DNA zufällig in kurze Fragmente zerlegt, sequenziert und bioinformatisch rekonstruiert wird, um Identität und Genfunktionen der Mikroben zu bestimmen. Obwohl dieser Ansatz zur Analyse des Mikrobioms weit verbreitet ist, fehlte bislang eine systematische Überprüfung anhand von Referenzdatensätzen bekannter Zusammensetzung. Die nun vorliegenden Ergebnisse von Professor Clavel und Dr. Nicole Treichel ermöglichen der Wissenschaft ein exakteres Verständnis der bakteriellen Darmbesiedlung und deren Einfluss auf die menschliche Gesundheit

Analyse-Präzision: Sequenzierungstiefe im Darmmikrobiom

Für die Untersuchung erstellte das Team verschiedene komplexe Mischungen bakterieller DNA mit exakt definierten Zusammensetzungen. Die anschließende Sequenzierung dieser Proben ermöglichte es den Forschenden, präzise zu bestimmen, welche Informationen bei unterschiedlichen Sequenzierungstiefen gewonnen werden können. Es zeigte sich, dass die taxonomische Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften bereits bei einer vergleichsweise geringen Tiefe von unter einer Gb pro Probe zuverlässig erfassbar ist, sofern geeignete Referenzdatenbanken vorliegen. Das ist eine wichtige Erkenntnis für die Kostenplanung großer Studien. Deutlich komplexer gestaltet sich hingegen die Rekonstruktion vollständiger Genome einzelner Bakterienstämme (MAGs). Diese erfordert eine etwa zehnfach höhere Sequenzierungstiefe und ist zudem anfällig für Artefakte. Auch die funktionelle Charakterisierung verlangt nach deutlich tieferen Daten. Während allgemeine biologische Prozesse schneller analysiert werden können, setzt die Identifizierung einzelner Proteine eine etwa fünfmal höhere Sequenzierungstiefe voraus.

Vergleichbarkeit ist relevant

Die Vergleichbarkeit von Forschungsergebnissen zwischen verschiedenen Laboren stellt eine weitere zentrale Herausforderung dar. Die Forschenden wiesen nach, dass variierende experimentelle Protokolle sowie hohe Mengen an Hintergrund-DNA die Resultate verfälschen können. Dabei lassen sich diese Effekte durch eine gesteigerte Sequenzierungstiefe abmildern. Besonders kritisch bewertet Dr. Clavel die Befunde zur MAG-Rekonstruktion: „Die Diversität zwischen Bakterienstämmen trägt wesentlich zu funktionellen Unterschieden in den Mikrobiomen verschiedener Individuen bei. Entsprechend groß ist das Interesse, die Genome einzelner Mikrobiom-Mitglieder zu rekonstruieren. Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass dies selbst bei hoher Sequenzierungstiefe ein anspruchsvolles Unterfangen ist. Je nach bioinformatischem Ansatz sind nur 50 bis 80 Prozent der rekonstruierten Sequenzen korrekt.“

Quelle

RWTH Aachen University (04/2026)