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Neue Methode zur Phylogenie und Klassifikation von Bakteriophagen und Archaeenviren

19.07.2017

DSMZ-Wissenschaftler entwickeln Online-Werkzeug „VICTOR“ zur Bestimmung der Verwandtschaftsverhältnisse von Viren. Viren sind die mit Abstand häufigsten biologischen Strukturen auf diesem Planeten. Ihre derzeitige Klassifikation enthält jedoch einige Unstimmigkeiten, die unter anderem auf teils uneinheitlich angewandte, konventionelle Methoden zurückzuführen sind. Der neue Ansatz basiert auf dem Gesamtgenom, bildet die Verwandtschaftsverhältnisse ab und macht Angaben zur Verlässlichkeit der Ergebnisse. Die „VICTOR“-Methodik steht auf der Webseite der DSMZ kostenlos für andere Wissenschaftler bereit.

Viren, die Prokaryonten befallen, sind die mit Abstand häufigsten biologischen Strukturen auf diesem Planeten. In biogeochemischen Kreisläufen spielen sie eine entscheidende Rolle, in der Medizin sind sie Hoffnungsträger im Kampf gegen multiresistente Erreger.


Transmissions-Elektronenmikroskopische Aufnahme von Phagen der Familie der Myoviridae gegen ESBL E. coli

Manfred Rohde, HZI

Auch die genetische Vielfalt dieser Viren ist gewaltig. Schätzungen zufolge stellen die bislang gut Tausend wissenschaftlich beschriebenen und offiziell anerkannten Arten nur einen winzigen Teil aller Arten von Bakterien- und Archaeen-Viren dar.

Außerdem enthält ihre derzeitige Klassifikation einige Unstimmigkeiten, die unter anderem auf teils uneinheitlich angewandte, konventionelle Methoden zurückzuführen sind. Die Entwicklung und Anwendung von genomsequenzbasierten Methoden würde hier eine vielversprechende Verbesserung darstellen und ist in der aktuellen Literatur auch immer wieder gefordert worden.

Dennoch gab es bisher kein Verfahren, um aus Genomsequenzen einen umfassenden, verlässlichen und gut interpretierbaren Stammbaum abzuleiten. Die Folgen können Unsicherheiten und Verwechslungen bei der Arbeit mit Viren sein.

Jan Meier-Kolthoff und Markus Göker vom Leibniz-Institut DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) in Braunschweig schlagen nun einen neuen Ansatz zur Phylogenie und Klassifikation der Viren von Prokaryonten vor, der auf dem Gesamtgenom basiert, die Verwandtschaftsverhältnisse abbildet und Angaben zur Verlässlichkeit der Ergebnisse macht. Ihre Arbeit haben Sie jetzt im Fachmagazin Bioinformatics veröffentlicht.

Grundlage des neuen Ansatzes ist eine bereits für die genombasierte Taxonomie von Bakterienarten etablierte Methode (GBDP – Genome BLAST Distance Phylogeny). Dabei werden komplette Genome paarweise verglichen und Distanzen berechnet.

Meier-Kolthoff und Göker optimierten dieses Verfahren nun für die Anwendung bei Archaeenviren und Bakteriophagen, basierend auf einem umfangreichen Referenzdatensatz, der sich aus offiziell vom Internationalen Komitee für die Taxonomie von Viren (ICTV) anerkannten Virenarten zusammensetzte. Ihre Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung mit der bestehenden Klassifikation. Die Methode stellt damit eine universelle, schnelle und zugleich zuverlässige Alternative zu bisherigen konventionellen Verfahren dar. Optimierte Grenzwerte für die Abgrenzung von Arten, Gattungen, Unterfamilien und Familien sind ebenfalls enthalten.

Mit der neuen Methode wurde darüber hinaus ein stark erweiterter Datensatz mit mehr als 4.000 Viren-Genomen aus öffentlich zugänglichen Datenbanken untersucht. Dies ermöglichte den beiden Bioinformatikern einen ersten Einblick in die noch unentdeckte Diversität, der eine große Zahl neuer Arten, Gattungen und (Unter-)Familien aufdeckte.

Die Berechnung und der Vergleich der Viren-Genome setzte eine große parallele Rechenkapazität voraus. „Das war für uns nur möglich, weil wir die notwendigen Berechnungen mit Hilfe eines potenten DSMZ-Rechenclusters im Hochdurchsatzverfahren durchführen konnten“, erläutert Meier-Kolthoff.

Die neu entwickelte Methodik „VICTOR“ (Virus Classification and Tree Building Online Resource) steht auf der Webseite der DSMZ kostenlos für andere Wissenschaftler bereit (https://victor.dsmz.de). „Dort kann jeder mit wenigen Klicks Genomsequenzen von Viren hochladen – wahlweise Aminosäure- oder Nukleotiddaten – und erhält in der Regel nach wenigen Minuten Phylogenien mit statistischen Unterstützungswerten und einem Vorschlag zur Einteilung der Viren in Arten, Gattungen, Unterfamilien und Familien. Abgerundet wird das Angebot durch die Auslieferung von publikationsfertigem Text. Fast eine Art Rundum-Sorglos-Paket“, so Meier-Kolthoff. Die Initiatoren sind überzeugt, damit einiges zum Verständnis der Zusammensetzung der viralen Biosphäre beitragen zu können.

Die veröffentlichte Arbeit ist Teil des Sonderforschungsbereichs „Roseobacter“ (TRR 51), der einer Gruppe sehr häufiger Meeresbakterien gewidmet ist. Deren Phagen sind bislang weitgehend unerforscht. Mit Hilfe der neuen Methodik wollen die Projektpartner dies nun zielgerichtet angehen.

Originalartikel:
Jan P. Meier-Kolthoff, Markus Göker; VICTOR: Genome-based Phylogeny and Classification of Prokaryotic Viruses. Bioinformatics 2017 (advance access). doi: 10.1093/bioinformatics/btx440

Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Jan P. Meier-Kolthoff
Arbeitsgruppe Phylogenomik
Tel.: 0531 2616-424
E-Mail: jan.meier-kolthoff@dsmz.de

Pressekontakt:
Christian Engel
Leiter Presse und Kommunikation
Tel. 0531 2616-300
E-Mail christian.engel@dsmz.de
Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH
Inhoffenstraße 7 B
38124 Braunschweig
Deutschland / Germany

Über das Leibniz-Institut DSMZ
Das Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH ist eine Einrichtung der Leibniz-Gemeinschaft und mit seinen umfangreichen wissenschaftlichen Services und einem breiten Spektrum an biologischen Materialien seit Jahrzehnten weltweiter Partner für Forschung und Industrie. Als einem der größten biologischen Ressourcenzentren seiner Art wurde der DSMZ die Übereinstimmung mit dem weltweit gültigen Qualitätsstandard ISO 9001:2008 bestätigt. Als Patenthinterlegungsstelle bietet die DSMZ die bundesweit einzigartige Möglichkeit, biologisches Material nach den Anforderungen des Budapester Vertrags aufzunehmen. Neben dem wissenschaftlichen Service bildet die sammlungsbezogene Forschung das zweite Standbein der DSMZ. Die Sammlung mit Sitz in Braunschweig existiert seit 48 Jahren und beherbergt mehr als 56.000 Kulturen und Biomaterialien. Die DSMZ ist die vielfältigste Sammlung weltweit: Neben Pilzen, Hefen, Bakterien und Archaea werden dort auch menschliche und tierische Zellkulturen sowie Pflanzenviren und pflanzliche Zellkulturen erforscht und archiviert. www.dsmz.de

Über die Leibniz Gemeinschaft
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 91 selbständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen rund 18.600 Personen, darunter 9.500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,7 Milliarden Euro.

Weitere Informationen:

https://victor.dsmz.de VICTOR: Virus Classification and Tree Building Online Resource

Christian Engel | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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