Studie

Bioinformatische Analyse von rund 170.000 bakteriellen Genomen

In einer umfangreichen bioinformatischen Analyse konnte ein internationales Forschungsteam zeigen, dass bisher nur drei Prozent des genetischen Potenzials für mikrobielle Naturstoffe entdeckt wurden.

Das Auftreten von antibiotikaresistenten Krankheitserregern und die zunehmende Schwierigkeit, neue Medikamente zu entwickeln, tragen maßgeblich zu den globalen Herausforderungen bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten bei. In einer umfangreichen bioinformatischen Analyse von rund 170.000 bakteriellen Genomen konnte ein internationales Forschungsteam zeigen, dass bisher nur drei Prozent des genetischen Potenzials für mikrobielle Naturstoffe – chemisch diverse bakterielle Stoffwechselprodukte, die die Grundlage für Antibiotika bilden – entdeckt wurden. Dem Team unter der Leitung von Prof. Nadine Ziemert vom Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) und dem Exzellenzcluster „Kontrolle von Mikroorganismen zur Bekämpfung von Infektionen“ (CMFI) der Eberhard Karls Universität Tübingen gelang es zudem, mehrere Bakteriengattungen zu identifizieren, die als Produzenten diverser Naturstoffe dazu beitragen könnten, den Engpass in der Arzneimittelentwicklung zu überwinden.

Naturstoffe bakteriellen Ursprungs werden seit Jahrzehnten als Quelle für Medikamente wie zum Beispiel Antibiotika untersucht. In den letzten Jahren hat die Entdeckung neuer Arzneimittel jedoch stagniert, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass das Ausmaß der chemischen Vielfalt in der Natur unbekannt ist und die Annahme besteht, dass ein großer Teil bereits entdeckt wurde.

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Der bioinformatische Vergleich vieler verschiedener bakterieller Genome hilft bei der Entdeckung neuer Gencluster mit potentiell antibiotischer Aktivität. © Leon Kokkoliadis, Eberhard Karls Universität Tübingen

Um das „wahre“ Potenzial bakterieller Naturstoffe und ihrer Biosynthesewege zu verstehen, untersuchte ein internationales Forscherteam aus Deutschland und den Niederlanden einen umfangreichen Satz genomischer Daten, basierend auf etwa 170.000 bakteriellen Genomen und mehreren Tausenden sogenannter Metagenome Assembled Genomes, die individuelle mikrobielle Taxa aus unterschiedlichsten Umgebungen repräsentieren. Mithilfe einer Genom-Mining-Strategie identifizierte das Team so genannte Biosynthese-Gen-Cluster (BGCs) – Cluster von Genen in bakteriellen Genomen, die gemeinsam die Biosynthesewege von Naturstoffen kodieren. Die Forschenden gruppierten die BGCs nach Ähnlichkeit in Gencluster-Familien und entwickelten bioinformatische Werkzeuge für die Untersuchung der in der bakteriellen Genomdatenbank dargestellten biosynthetischen Vielfalt.

"Unsere bioinformatische Studie zeigte, dass bisher nur drei Prozent oder sogar weniger des genetischen Potenzials für die Produktion von Naturstoffen entdeckt wurden", sagt Prof. Nadine Ziemert.

Anhand der ausgewerteten Daten identifizierten die Forscher Bakterientaxa, die ein hohes Biosynthesepotenzial aufweisen, darunter mehrere bislang wenig erforschte taxonomische Gruppen. Die Daten enthüllten auch eine unentdeckte biosynthetische Vielfalt in ansonsten gut erforschten Bakteriengattungen, von denen etliche zu den Hauptproduzenten von Antibiotika gehören. Diese für die zukünftige Forschung vielversprechenden Bakteriengattungen könnten dazu beitragen, die Entwicklung neuer wirksamer Antibiotika und anderer Medikamente voranzutreiben.

Publikation
Gavriilidou, A., Kautsar, S.A., Zaburannyi, N. et al. Author Correction: Compendium of specialized metabolite biosynthetic diversity encoded in bacterial genomes. Nat Microbiol (2022). https://doi.org/10.1038/s41564-022-01168-y

Quelle: Deutsches Zentrum für Infektionsforschung (DZIF)

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