Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bakterienprofile auf Knopfdruck

31.01.2017

Neue Software Traitar leitet Eigenschaften von Bakterien aus genetischen Daten ab

Moderne Sequenziertechniken machen es heutzutage möglich, das gesamte Erbmaterial – das Genom – eines Bakteriums in kurzer Zeit zu entschlüsseln. Das Ergebnis ist eine riesige Datenmenge, in der sich Tausende Gene verbergen. Welche Eigenschaften diese Gene dem Bakterium verleihen, müssen Wissenschaftler jedoch aufwendig analysieren.


Die neue Software Traitar soll verschiedene Stämme des Erregers Pseudomonas aeruginosa auf neue Resistenzmechanismen gegen Antibiotika untersuchen.

HZI/Manfred Rohde

Bioinformatiker des Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS), einer gemeinsamen Einrichtung des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und der Technischen Universität Braunschweig, haben nun eine Software entwickelt, die aus Genomdaten insgesamt 67 Eigenschaften des Bakteriums vorhersagen kann.

Zu diesen Merkmalen gehören zum Beispiel bevorzugte Nahrungsquellen, bestimmte Resistenzen oder die Beweglichkeit der Bakterien. Die Software mit dem Namen „Traitar“ haben die Wissenschaftler online frei zur Verfügung gestellt und sie kürzlich im Fachjournal mSystems beschrieben.

Die physiologischen Eigenschaften eines Organismus sind in kodierter Form in seiner Erbinformation, dem Genom, festgelegt. Es enthält Baupläne für eine Vielzahl von Proteinen, die allen Funktionen in den Zellen des Organismus zugrunde liegen und so auch seine charakteristischen Merkmale bestimmen.

Gerade bei krankheitserregenden Bakterien ist es wichtig, ihre spezifischen Merkmale zu identifizieren, um sie genauer erforschen und zum Beispiel bei einer Infektion eine passende medikamentöse Therapie entwickeln zu können. Dazu müssen die Forscher aber unter anderem wissen, welche Nahrungsquellen die Erreger nutzen, ob sie Sauerstoff benötigen oder ob sie Resistenzen gegen Antibiotika aufweisen. Um diese Informationen zu erhalten, bedarf es besonders bei noch nicht charakterisierten Bakterienstämmen oft langwieriger Laborexperimente.

Ein erster und mittlerweile schneller Schritt in diesem Prozess ist das Entschlüsseln des Genoms der Bakterien. Doch die Auswertung der erhaltenen Daten ist dafür umso aufwendiger. Die neue Software „Traitar“, die die Braunschweiger Bioinformatiker entwickelt haben, erleichtert den Wissenschaftlern nun die Charakterisierung von Bakterienstämmen wesentlich: Anhand der Genomdaten leitet das Programm in wenigen Minuten eine ganze Reihe relevanter Eigenschaften ab.

„Die aktuelle Version von Traitar testet die bakteriellen Genomdaten auf 67 verschiedene Phänotypen, also Eigenschaften, des jeweiligen Bakteriums“, sagt Aaron Weimann, der in der Abteilung „Bioinformatik der Infektionsforschung“ von Prof. Alice McHardy promoviert und mit dem Team die neue Software entwickelt hat. „Bakterien besitzen meist zwischen 3000 und 6000 Gene, die für die Ausprägung ihrer Eigenschaften verantwortlich sind. Aus den genetischen Daten identifiziert Traitar mittels maschineller Lernverfahren bestimmte Proteinfamilien und zeigt an, zu welchem Phänotyp diese Proteine führen.“

Darüber hinaus gibt die Software auch detailliert aus, welche Proteine oder Proteinfamilien zu den vorhergesagten Eigenschaften führen. Der Name der Software ist vom englischen Wort „trait“ – zu Deutsch Eigenschaft oder Merkmal – abgeleitet. Traitar ist im Internet frei verfügbar unter https://github.com/hzi-bifo/traitar. Dort lässt sich die Software kostenlos herunterladen und kann ohne weitere Programmierkenntnisse genutzt werden. Kleine Datenmengen können auch direkt per Online-Tool analysiert werden unter http://research.bifo.helmholtz-hzi.de/webapps/wa-webservice/pipe.php?pr=traitar.

Für die Entwicklung von Traitar haben Weimann und seine Kollegen zunächst in der Literatur und in Datenbanken Informationen über Phänotypen von Bakterien recherchiert, deren Genom bereits sequenziert ist. Die Genomdaten haben sie dann computergestützt mit den aufbereiteten Phänotypdaten verglichen und mithilfe maschineller Lernmethoden systematisch nach Mustern und Kombinationen von Proteinfamilien durchsuchen lassen, die eine genaue Vorhersage von Phänotypen ermöglichen.

„Für die Programmierung der Software haben wir Trainingsdaten verwendet, bei denen Genom und daraus resultierende Phänotypen bekannt waren“, erklärt Aaron Weimann. „Mit weiteren bekannten Datensätzen haben wir Traitar dann überprüft und anhand der richtigen und falschen Vorhersagen immer genauer programmieren können.“

Als Grundlage für das Training und die Überprüfung von Traitar dienten die Bakterienenzyklopädie Bergey's Manual of Systematic Bacteriology sowie die Datenbank GIDEON (Global Infectious Diseases and Epidemiology Online Network), die eine Vielzahl klinisch relevanter Eigenschaften von Bakterien zusammenfasst. Außerdem flossen Fördergelder des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF) in das Projekt.

„Die Vorhersage ist noch nicht für alle 67 Phänotypen gleich gut, weil die Qualität der zugrundeliegenden Daten in manchen Fällen besser ist als in anderen“, sagt Dr. Andreas Bremges, Wissenschaftler im Team von Alice McHardy. „Wenn neue Daten verfügbar werden, passen wir die Software im laufenden Prozess an. Und sie kann jederzeit um zusätzliche Phänotypen erweitert werden. Allerdings ist das Ziel von Traitar primär, Wissenschaftlern erste Hinweise zu geben, welche interessanten Eigenschaften die von ihnen untersuchten Bakterien haben können.“ So ermögliche die Software einen schnellen und gezielten Einstieg in die Charakterisierung und reduziere dadurch auch die Kosten für Laborexperimente.

In Forscherkreisen ist die Software bereits im Einsatz, so zum Beispiel in einem neu gestarteten Kooperationsprojekt mit Prof. Susanne Häußler vom HZI. In ihrer Abteilung „Molekulare Bakteriologie“ hat Häußler eine Vielzahl von Stämmen des Krankheitserregers Pseudomonas aeruginosa charakterisiert. Dieses Bakterium kann schwere akute Infektionen hervorrufen und zeichnet sich durch eine besonders hohe Resistenz gegenüber einer Vielzahl von Antibiotika aus. Die detaillierten Daten, die Häußler über diesen Erreger gesammelt hat, sollen nun in Traitar einfließen.

„Wir brauchen in Zukunft automatische Systeme, um genaue Vorhersagen für Antibiotikaresistenzen von Pseudomonas aeruginosa treffen und so eine passende Therapie für den Patienten wählen zu können“, sagt Häußler. „Gleichzeitig erhoffen wir uns, mit Traitar noch unbekannte Resistenzmechanismen aufzuklären.“

Originalpublikation:
Aaron Weimann, Kyra Mooren, Jeremy Frank, Phillip B. Pope, Andreas Bremges, Alice C. McHardy: From Genomes to Phenotypes: Traitar, the Microbial Trait Analyzer. mSystems, 2016, DOI: 10.1128/mSystems.00101-16

Die Pressemitteilung und Bildmaterial finden Sie auch auf unserer Webseite unter dem Link https://www.helmholtz-hzi.de/de/aktuelles/news/ansicht/article/complete/bakterie...

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern. http://www.helmholtz-hzi.de

Das Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology:
Das Braunschweig Integrated Centre of Systems Biology (BRICS) ist ein gemeinsames Forschungszentrum des HZI mit der Technischen Universität Braunschweig. Ziel des BRICS ist die Erforschung von Infektionen und Wirkstoffbildung sowie die Entwicklung biotechnologischer Prozesse mit Hilfe der Systembiologie. http://www.tu-braunschweig.de/brics

Ihre Ansprechpartner:
Susanne Thiele, Pressesprecherin
susanne.thiele@helmholtz-hzi.de
Dr. Andreas Fischer, Wissenschaftsredakteur
andreas.fischer@helmholtz-hzi.de

Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung GmbH
Presse und Kommunikation
Inhoffenstraße 7
D-38124 Braunschweig

Tel.: 0531 6181-1400; -1405

Susanne Thiele | Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen
20.09.2017 | Veterinärmedizinische Universität Wien

nachricht Molekulare Kraftmesser
20.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik