EU-Projekt entwickelt ein System, das genetische Muster mit Umweltdaten korreliert
Das vor kurzem gestartete Projekt METAFUNCTIONS soll dazu dienen, ein Data-Mining-System zu entwickeln, das genetische Muster in Genomen und Metagenomen mit übergreifenden Umweltdaten korreliert. Durch die Entschlüsselung des genetischen Bauplans aller Mikrobenarten könnten Wissenschaftler herausfinden, welche Arten in einer bestimmten Umgebung auftreten und wie sie zusammenarbeiten. So könnten sie Tausende von bisher unbekannten Mikroorganismen sowie neue Enzyme und Proteine für die medizinische und industrielle Nutzung zutage fördern und Wege finden, wie man Bakterien zur Bekämpfung von Umweltverschmutzung nutzbar machen kann. Die Bestimmung der kompletten DNA-Sequenz einer einzelnen Art ist gängige Praxis geworden - so wurde sie bei Menschen, Mäusen, Reispflanzen und vielen Mikroorganismen entschlüsselt. In den letzten sieben Jahren wurden über 260 mikrobielle Genome erfolgreich sequenziert, an über 600 weiteren wird derzeit gearbeitet. Den Wissenschaftlern ist bekannt, dass bis zu 99 Prozent aller Mikroorganismen nicht mit den traditionellen DNA-Extraktionsmethoden untersucht werden können. Es ist jedoch möglich, DNA aus einer Boden- oder Meerwasserprobe zu extrahieren. Um Zugriff zu dieser versteckten Vielfalt zu erhalten, müssen also neue Techniken angewandt werden. Mit diesen Techniken sollen alle DNAs in den Bakteriengemeinschaften, die sich in einer Boden- oder Meerwasserprobe oder auch in der menschlichen Darmschleimhaut befinden, gelesen werden. Sequenzen dieser Proben sind als Metagenome bekannt - also nicht das Genom eines Organismus, sondern der genetische Bauplan eines bestimmten Habitats. Der Kern dieser Methoden ist, DNA aus einem bestimmten Habitat zu extrahieren und dann ein Fragment dieser DNA in ein Expressionsplasmid einzufügen. So entsteht eine "metagenomische" Bibliothek. Der letzte Schritt besteht darin, die exprimierte DNA für eine Vielzahl von Aktivitäten funktionell zu prüfen. Es gibt immer mehr Metagenom-Informationen - doch es fehlt stark an den Instrumenten zu deren Analyse. Die Aufgabe ist nicht leicht: Ein Löffel voll Erde oder Meerwasser kann Tausende von verschiedenen Mikrobenarten enthalten, was im genetischen Sinne heißt, dass eine solche Probe komplexer sein kann als das menschliche Genom. Darüber hinaus hat sich die Forschung zur Metagenomik bisher hauptsächlich auf Bakterien konzentriert, die aus medizinischer Sicht von Bedeutung sind, während unter Umweltgesichtspunkten wichtigen Organismen (z. B. Organismen, die an Methanerzeugung und -verbrauch beteiligt sind) nicht die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Das METAFUNCTIONS-Projekt wird von der Europäischen Kommission unter dem NEST-Programm - neue und sich abzeichnende wissenschaftliche und technologische Entwicklungen - des Sechsten Rahmenprogramms (RP6) gefördert und hat zum Ziel, diesen Herausforderungen mit der Entwicklung eines neuartigen Data-Mining-Systems zu begegnen, das die Zusammenhänge zwischen sequenzierten Genen und ihrem ökologischen Umfeld bestimmen kann. Das Projekt wird vom Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie in Deutschland koordiniert. Fachleute aus den Bereichen Bioinformatik, Informatik, Geographische Informationssysteme und Meereswissenschaften von vier europäischen Forschungszentren in Deutschland, der Schweiz und Polen sind daran beteiligt. Das letztendliche Ziel des Projekts mit dem offiziellen Titel "Environmental- and metagenomics - a bioinformatics system to detect and assign functions to habitat-specific gene patterns" ("Umwelt- und Metagenomik - ein Bioinformatiksystem zur Erkennung und Zuordnung von Funktionen zu habitatspezifischen Genmustern") ist es, die Funktion bisher unbekannter Gene, bekannt als "hypothetische Gene", zu bestimmen. Die innovative Kombination von Fachkenntnissen hat das Potenzial, eine Technologie mit breiter Anwendung zu entwickeln, die sich wahrscheinlich sehr auszahlen wird. Im Rahmen des Projekts wird ein "Genomes MapServer" gebaut, der es Wissenschaftlern in der ganzen Welt bald ermöglichen wird, auf integrierte genomische und ökologische Daten zuzugreifen und die Ergebnisse ihrer Analysen deutlich zu visualisieren. METAFUNCTIONS verwendet Datenverarbeitungstechniken für natürliche Sprache, um Daten aus der Literatur zusammenzustellen und diese in ein strukturiertes Datenbankformat umzuwandeln. Das Projekt stützt sich auch stark auf Data Mining-Techniken, um neuartige oder interessante Muster in genomischen Daten zu bestimmen. Ein weiterer innovativer Aspekt dieses Projekts ist die Verwendung von geographischen Informationssystemen (GIS). GIS-Tools ermöglichen die Simulation und Analyse von Ereignissen aus einer geographischen oder räumlichen Perspektive. Neue Muster - z. B. das physische Clustering von Genen innerhalb eines Genoms - werden mit den übergreifenden Habitatdaten korreliert. Beispielsweise kann ein bestimmtes Cluster von Genen in einer Reihe von Genomen und Metagenomen auftreten, die alle aus einer Umgebung mit hoher Temperatur entnommen wurden. Es wäre logisch, daraus abzuleiten, dass das Gen eine Rolle dabei spielen muss, das Überleben bei extremer Hitze zu ermöglichen. Insbesondere wird das METAFUNCTIONS-Projekt dazu beitragen, den großen Rückstand bei der Zuordnung von Funktionen zu einer großen Zahl erhaltener hypothetischer Gene, die durch den hohen Durchsatz an genomischen Sequenzierungen produziert wurden, aufzuholen. Die Meeresökologie, Biotechnologie, Medizin und viele Industriezweige könnten alle Nutzen aus der Kartierung ziehen, die METAFUNCTIONS für die ökologische Genomik bietet. Das Projekt wird sehr lohnenswert sein: Bakterien machen mehr als die Hälfte der lebenden Materie auf der Erde aus und spielen eine wichtige Rolle in vielen ökologischen Kreisläufen. So verwandeln sie Stickstoff in der Luft in eine für Pflanzen nutzbare Form, sie produzieren ca. die Hälfte des Sauerstoffs auf der Erde, sie spalten Mineralien und beseitigen Verschmutzung.