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Identifizierung von Genclustern durch Data Mining vereinfacht

Ein aktualisierter Web Server verbessert die Analyse von genetischem Material. So können Forscher Bakterien für die industrielle Herstellung neuer Antibiotika, Vitamine und Verbindungen für Lebensmittel optimieren.
Identifizierung von Genclustern durch Data Mining vereinfacht
Ribosomal synthetisierte und posttranslational modifizierte Peptide (RiPPs), eine vielfältige Gruppe biologisch aktiver bakterieller Moleküle, haben dank ihrem großen Potenzial für therapeutische Anwendungen in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erhalten. Auch wenn sie eher unbekannt zu sein scheinen, wird eine Klasse solcher Moleküle, die Bakteriocine, bereits seit einigen Jahrzehnten in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Nisin zum Beispiel, ein Bakteriocin mit antimikrobiellen Eigenschaften, wird in Milchprodukten, Konserven und geräuchertem Fleisch als natürliches Konservierungsmittel verwendet. In den letzten Jahren hat sich sein Anwendungsbereich auch auf die Biomedizin ausgeweitet.

Um die Forschung an RiPPs und Bakteriocinen zu erleichtern, hat ein Wissenschaftlerteam mit Teilförderung durch das EU-finanzierte Projekt Rafts4Biotech eine neue Version von BAGEL vorgestellt, einem internetbasierten Softwaretool. Eine Beschreibung des BAGEL4 Web Servers wurde vor Kurzem im Journal „Nucleic Acids Research“ veröffentlicht. Dort wird erklärt, dass Web Server, die Data Mining betreiben, dabei helfen könnten, „den genetischen Ursprung einer beobachteten antimikrobiellen Aktivität genau festzustellen und daraus die entsprechende chemische Struktur zu ermitteln.“ Dazu werden Techniken und Algorithmen des Data Mining genutzt, mit denen Informationen direkt aus dem Internet gezogen werden können.

Den Forschern zufolge ist BAGEL4 ein Web Server, „mit dem der Nutzer Gencluster in prokaryotischer DNA, die an der Biosnythese von RiPPs und (unmodifizierten) Bakteriocinen beteiligt ist, identifizieren und sichtbar machen kann.“ Er könnte auch um Eingangsdaten zur RNA-Sequenzierung erweitert werden. „BAGEL4 wurde insgesamt aktualisiert und mit neuen Funktionen erweitert; es ist benutzerfreundlicher und bietet zuverlässiges, schnelles und bequemes Data Mining von Bakteriocinen und RiPPs.“

Rafts4Biotech wurde ins Leben gerufen, um einige der Probleme mit biotechnologischen Prozessen zu lösen, die in Verbindung mit Bakterien auftreten. Wie es auf der Projektwebsite heißt: „Die Leistung dieser Mikroorganismen unter anspruchsvollen Bedingungen der Industrie wird von der Toxizität einiger Verbindungen sowie den komplexen metabolischen Interaktionen zwischen den Bakterienzellen begrenzt.“

Die Strategie von Rafts4Biotech ist es, „die Produktion dieser Verbindungen auf spezialisierte Regionen auf der Membran des Mikroorganismus zu beschränken, die sogenannten Lipid Rafts. Diese erst kürzlich entdeckten Stellen bieten die ideale Umgebung, um Beeinträchtigungen des Stoffwechsels und der Lebensfähigkeit der Bakterien zu verhindern und so die Produktivität zu erhöhen.“

Eine der Fallstudien im Rahmen des Projekts hat sich mit einer neuen Generation wirksamer Antibiotika befasst, die resistente Infektionen bekämpfen könnte. „Rafts4Biotech nutzt die Raft-Technologie, um Antimikrobiotika mit hohem Mehrwert zu entwickeln, die normalerweise aufgrund ihrer Toxizität nicht hergestellt werden können.“ Dieselbe Technologie kommt dann auch bei der Herstellung von Beta-Carotin sowie Vitamin A und B zum Einsatz. So wird eine chemische Herstellung durch nachhaltige Bioprozesse ersetzt, die bei niedrigeren Temperaturen wirken und weniger Energie verbrauchen. In einer anderen Fallstudie ging es um die Prüfung und Entfernung von Verschmutzungen in Nahrungsmitteln und Trinkwasser, wie zum Beispiel von Trichlorpropan, einem industriellen Lösungsmittel, das als Reinigungs- und Entfettungsmittel eingesetzt wird.

In einem Interview auf der Website von Rafts4Biotech erklärt Projektkoordinator Daniel López die Lipid Rafts genauer: „Jede Zellmembran besteht aus Lipiden und diese gliedern sich nach ihren jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften an. So wie Öl und Wasser sich nicht vermischen lassen bleiben auch hier einige Lipide zusammen und bilden Tröpfchen oder Domänen. Diese Lipidcluster schließen Membranproteine ein und beeinflussen so deren Funktionstüchtigkeit.“ Diese spezialisierte Membranstruktur wird Lipid Raft genannt. „Die Proteine in einer Membran sind wie der Motor in einem Auto: damit sie richtig laufen, brauchen sie das richtige Öl. Die Lipide in der Membran sind genau wie dieses Öl, denn sie sorgen dafür, dass die von ihnen eingeschlossenen Proteine richtig funktionieren.“

Das Projekt Rafts4Biotech (Synthetic bacterial lipid rafts to optimize industrial bioprocesses) vereint vielfältigstes Fachwissen aus den Bereichen synthetische Biologie, Systembiologie und mathematische Modellierung, um so die Technologie in eine Marktanwendung umsetzen zu können.

Weitere Informationen:
Rafts4Biotech-Projektwebseite

Quelle: Gestützt auf Projektinformationen und Medienberichte

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