Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der biologischen dunklen Materie auf der Spur

15.07.2013
Forscher der Universität Bielefeld an Veröffentlichung im Fachmagazin „Nature“ beteiligt

Nicht nur im Weltall gibt es dunkle Materie. Wenn es um Mikroben geht, benutzen auch Biologen den Begriff. Obwohl die Winzlinge 70 Prozent aller auf Erden vorhandenen Lebewesen stellen, sind sie – wie die geheimnisvolle Masse im Kosmos - kaum erforscht. Denn die meisten dieser Organismen lassen sich im Labor nicht nachzüchten.


Mikroben in Nahansicht. Sie stellen rund 70 Prozent der Biomasse auf Erden – sind aber weitgehend unerforscht. Wen-Tso Liu

Mit einem Trick ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Bielefeld und dem kalifornischen Joint Genome Institut (JGI) sowie weiteren Instituten aus den USA, Kanada, Australien und Griechenland dennoch gelungen, ihnen auf die Spur zu kommen: Statt sie zu züchten, haben sie die DNA einzelner mikrobieller Zellen vervielfältigt – und damit Licht in die dunkle Materie gebracht. Der Artikel, in dem das Verfahren beschrieben ist, erscheint am Sonntag, 14. Juli, um 19 Uhr auf der Internetseite der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ und am 25. Juli in der Print-Ausgabe.

Mikroben sind winzige Lebewesen, meist Einzeller, und sie sind überall: in der Luft, im Wasser, selbst der Mensch besteht nur zu einem Zehntel aus menschlichen Zellen – der Rest sind unterschiedlichste mikrobiologische Mitbewohner. Umso erstaunlicher, dass erst ein winziger Bruchteil von ihnen erforscht ist. Das liegt daran, dass sich die meisten von ihnen unter Laborbedingungen nicht „wohlfühlen“ und absterben statt sich zu vermehren. Das internationale Forschungsteam ist deswegen einen anderen Weg gegangen, um mehr über die mikrobielle dunkle Materie zu erfahren: Zunächst haben sie Proben aus neun besonders „lebensfeindlichen“ Habitaten aus aller Welt genommen – von einem besonders sauerstoffarmen See in Griechenland über einen mexikanischen Klärschlammreaktor bis zur fast kochendheißen Quelle in der Wüste von Nevada. Dank dieser Auswahl hatten die Forscher eine hohe Wahrscheinlichkeit, möglichst viele unbekannte Mikroben einzufangen – und nicht etwa bereits bekannte erneut zu erfassen.

Erst reduzieren – dann vermillionenfachen

Aus den Proben der neun Habitate haben die Forscher in Kalifornien rund 9.000 Einzelzellen gewonnen. Bei etwa 3.300 von ihnen haben sie die Zellwand aufbrechen und intakte DNA entnehmen können. Mit Hilfe einer neuen Technologie, der Einzelzell-Genomik, haben sie die genomische DNA vervielfältigt oder „amplifiziert“, wie die Forscher sagen. Das ist nötig, um die DNA sequenzieren zu können - sie also in ihre Bestandteile, die Basenpaare, zu zerlegen, die wiederum die Erbinformation enthalten. „Vor 15 Jahren wäre es undenkbar gewesen, die Genome einzelner mikrobieller Zellen zu entziffern“, sagt Dr. Tanja Woyke, Leiterin der Mikrobiellen Genomik am JGI und Leiterin des Projektes.

„Es war notwendig, die Zellen im Labor zu züchten, um ausreichend Zellmasse für die Genomentschlüsselung zu erhalten. Doch mit modernen Einzelzell-Techniken benötigen wir nur ein einziges DNA-Molekül“, fügt sie hinzu. Die Forscher konnten 201 unterschiedliche Mikroorganismen (Archaeen und Bakterien) identifizieren, die sich im Labor nicht kultivieren ließen. Bis hierhin wurde die Arbeit in Kalifornien gemacht. Um die Daten für die biologische Interpretation nutzbar zu machen, brauchten die US-Forscher jedoch die Hilfe der Bioinformatik – und haben die Daten an Dr. Alexander Sczyrba vom Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld geschickt.

In Bielefeld wird das Genom-Puzzle zusammengesetzt

Sczyrba ist Leiter der Arbeitsgruppe „Computational Metagenomics“ (Computergestützte Metagenomik) und seine Aufgabe war es, der Datenmenge Herr zu werden. Einige hundert Gigabyte an Sequenz-Daten bekam Sczyrba aus Kalifornien geschickt – die amplifizierten Genome der 201 identifizierten unbekannten Mikroben. Allerdings wurden diese Daten in unzähligen Bruchstücken geliefert. Denn die Millionen von Basen, aus denen mikrobielle DNA besteht, lassen sich auch mit modernster Technik nicht an einem Stück ablesen. Stattdessen liefert die Sequenziertechnik überlappende Abschnitte von etwa 150 Basen. Sczyrba musste die Daten vergleichen, die Überlappungen feststellen und die Basenabfolge anhand dieser „Klebestellen“ wieder zusammensetzen. Schon bei einer „normalen“ Sequenzierung ist das eine Puzzlearbeit, für das der Bielefelder aufwendige bioinformatische Verfahren nutzt. Bei der neuen Einzelzell-Genomik kommt eine weitere Herausforderung hinzu.

„Problem ist, dass bei der Amplifizierung die Basen nicht gleichmäßig produziert werden. Es gibt riesige Schwankungen“, erklärt Sczyrba. „Es kann passieren, dass eine Base nur einmal, eine andere gleich hundertausendmal auftaucht.“ Mit einem normalen Assembler – der Software, die die Bruchstücke wieder zu einem kompletten Genom zusammenstellt – wäre die Arbeit nicht möglich gewesen, so der Bioinformatiker. „Wir haben daher neue bioinformatische Methoden entwickelt, um die Schwankungen herauszurechnen. Danach waren wir in der Lage, die Genome zu rekonstruieren.“

Neue Äste am Baum des Lebens

Die 201 untersuchten Mikroben, die Archaeen und Bakterien, zählen zu 29 überwiegend unerforschten Zweigen des „Baum des Lebens“, der eines Tages alle Formen von Leben auf der Erde verzeichnen soll. „Um die neu sequenzierten Genome möglichst genau im Stammbaum zu platzieren, waren einige hunderttausend Stunden an Rechenkapazität nötig. Erfreulicherweise konnten wir hierzu den Computer-Cluster im CeBiTec nutzen“, sagt Sczyrba. „Ohne solch große Rechnerressourcen sind Studien in diesem Maßstab gar nicht durchführbar.“ Danach gingen die Daten zur weiteren Analyse wieder zurück zum JGI, wo der Erstautor der Studie, Dr. Christian Rinke, und sein Kollege und Bielefelder Absolvent Dr. Patrick Schwientek Überraschendes zutage förderten. So ließen sich beispielsweise bei Bakterien Merkmale feststellen, die bislang als typisch für Archaeen galten – und damit Überschneidungen zwischen den bislang strikt getrennten Verwandschaftsästen. Noch ist längst nicht alle mikrobielle dunkle Materie beleuchtet, aber mit ihrer Forschung haben Dr. Alexander Sczyrba von der Universität Bielefeld und das internationale Forscherteam weiteres Licht ins Dunkel gebracht.

Weitere Informationen im Internet:
genome.jgi.doe.gov/MDM
www.cebitec.uni-bielefeld.de/cmg
Originalveröffentlichung:
Christian Rinke, Patrick Schwientek, Alexander Sczyrba, Natalia N. Ivanova, Iain J. Anderson, Jan-Fang Cheng, Aaron Darling, Stephanie Malfatti, Brandon K. Swan, Esther A. Gies, Jeremy A. Dodsworth, Brian P. Hedlund, George Tsiamis, Stefan M. Sievert, Wen-Tso Liu, Jonathan A. Eisen, Steven Hallam, Nikos C. Kyrpides, Ramunas Stepanauskas, Edward M. Rubin, Philip Hugenholtz, Tanja Woyke, “Insights into the Phylogeny and Coding Potential of Microbial Dark Matter”. http://dx.doi.org/10.1038/nature12352

(online ab dem 14. Juli, 19 Uhr)

Kontakt:
Dr. Alexander Sczyrba, Universität Bielefeld
CeBiTec / Technische Fakultät - Computational Metagenomics
Telefon: 0521 106-2910
E-Mail: asczyrba@cebitec.uni-bielefeld.de

Ingo Lohuis | idw
Weitere Informationen:
http://genome.jgi.doe.gov/MDM
http://www.cebitec.uni-bielefeld.de/cmg

Weitere Berichte zu: Bakterien CeBiTec DNA Einzelzell-Genomik Genom Lebewesen Materie Mikrobe Schwankung Schwientek

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Pflanzen gegen Staunässe schützen
17.10.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Erweiterung des Lichtwegs macht winzige Strukturen in Körperzellen sichtbar
17.10.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

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: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz