Bioinformatiker der Saar-Uni berechnen die Gensequenzen beider Elternteile

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.01.2018

Bei der Analyse des menschlichen Genoms blieben Forscher bisher eine Antwort schuldig: Sie konnten nicht sagen, wie sich die beiden von Mutter und Vater vererbten Varianten eines Gens unterscheiden. Dabei erhöht diese Information die Wahrscheinlichkeit, bestimmte Krankheiten erfolgreich zu behandeln. Die so genannte dritte Generation von Sequenzierungstechnologien macht dies nun möglich. Eines der wichtigsten Hilfsmittel für dieses komplexe Puzzle: Eine spezielle Software, entwickelt von Wissenschaftlern am Zentrum für Bioinformatik der Universität des Saarlandes. Die renommierte Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichtet daher gleich zweimal über ihre Forschung.

Den Menschen machen 46 Chromosomen aus. Sie tragen die Gene und definieren das Erbgut, das sogenannte Genom. Damit sich die Anzahl der Chromosomen nicht von Generation zu Generation verdoppelt, sind lediglich 23 Chromosomen in der männlichen und weiblichen Keimzelle enthalten, die zu einer befruchteten Eizelle und damit neuem Leben verschmelzen. Diesen halben Chromosomensatz bezeichnet man als „haploid“. „Welche Genvarianten ich von meinem Vater oder meiner Mutter erhalte, kann darüber entscheiden, ob ich krank werde und auch, wie ich am besten medizinisch behandelt werden kann“, erklärt Tobias Marschall, Professor für Bioinformatik an der Universität des Saarlandes. Dort leitet er die Gruppe „Algorithms for Computational Genomics“ am Zentrum für Bioinformatik.

Analysieren zu können, welche Genvarianten von welchem Elternteil vererbt wurden und damit den sogenannten Haplotyp zu bestimmen, ist der neue Quantensprung bei der Sequenzierung des menschlichen Genoms. Zwei Entwicklungen sind hierfür entscheidend: Zum einen liefern die sogenannten Sequenziertechnologien der dritten Generation, etabliert von Unternehmen wie Oxford Nanopore, 10x Genomics und Pacific Biosciences, eine andere Art von Gendaten. „Durch sie bekommen wir nun viel längere Gen-Schnipsel und können damit nun endlich das praktizieren, was wir in der Theorie schon lange studiert haben“, so Marschall. An der zweiten Voraussetzung ist er aktiv beteiligt. Er entwickelt die Rechenverfahren, die diese Gendatenberge beherrschbar machen. Ein Teil davon ist auch in die Software eingeflossen, die Marschall mit seinen Kollegen entwickelt und auf den Namen „WhatsHap“ getauft hat.

„Stellen sie sich ein äußerst schwieriges Puzzle vor. Mit ‚WhatsHap‘ lösen wir gleich zwei davon und zwar gleichzeitig“, umschreibt Marschall das Vorgehen der Software. Der Bioinformatiker ist überzeugt, dass mit Hilfe solcher Programme in absehbarer Zeit die Bestimmung des Haplotyps ebenso zu einer Routineuntersuchung in Krankenhäusern wird, wie es die Bestimmung der Blutgruppe bereits heute ist. Die beiden Aufsätze in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ sind für ihn dafür der erste Meilenstein.

Die Relevanz dieser Arbeiten bekräftigte auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), indem sie vergangene Woche die finanzielle Förderung von gleich zwei Projekten bekannt gab, die mit „WhatsHap“ zusammenhängen. Im ersten Projekt wird Professor Marschall gemeinsam mit Professor Gunnar Klau von der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf an noch leistungsfähigeren Rechenverfahren zur Haplotypisierung arbeiten. Im zweiten Projekt fördert die DFG im Rahmen der Initiative „Nachhaltigkeit von Forschungssoftware“ die dauerhafte Pflege der WhatsHap-Software und ebnet so den Weg in den klinischen Alltag. Insgesamt stehen für diese Projekte 800.000 Euro zur Verfügung, von denen 550.000 Euro an die Saar-Uni fließen, um dort neue Stellen für Forscher und Entwickler zu schaffen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

3D-gedruckte Minifabriken

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 01.12.2017

ETH-Forscher entwickelten für den 3D-Druck eine biokompatible Tinte mit lebenden Bakterien. Damit lassen sich biologische Materialien herstellen, die Giftstoffe abbauen oder hochreine Zellulose für biomedizinische Anwendungen produzieren können.

Es gibt bald nichts mehr, das nicht im 3D-Druck hergestellt werden kann. Bei den Materialien, die dafür verwendet werden, handelte es sich aber bisher um «tote Materie» wie Kunststoffe oder Metalle.

Nun stellt eine Gruppe von ETH-Forschern um Professor André Studart, Leiter des Labors für Komplexe Materialien, eine neue 3D-Druckplattform vor, die mit lebender Materie arbeitet. Die Forscher entwickelten eine Tinte, die Bakterien enthält. Damit lassen sich biochemische Minifabriken mit unterschiedlichen Funktionalitäten drucken, je nachdem, welche Bakterienarten die Forscher in der Tinte einsetzen.

Eigenschaften von Bakterien nutzen

In ihrer Arbeit verwendeten Studarts Mitarbeiter Patrick Rühs und Manuel Schaffner die Bakterienarten Pseudomonas putida und Acetobacter xylinum. Die erste Art kann das giftige Phenol, das die chemische Industrie im grossen Stil produziert, abbauen. Die zweite Art sondert hochreine Nano-Zellulose ab. Die bakterielle Zellulose wirkt schmerzlindernd, hält feucht und ist stabil. Sie könnte daher bei Brandverletzungen verwendet werden.

Die neue Druckplattform der ETH-Forscher bietet zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten. So können die Wissenschaftler in einem Durchlauf bis zu vier verschiedene Tinten mit unterschiedlichen Bakterienarten in unterschiedlichen Konzentrationen verwenden, um damit Objekte mit mehreren Funktionen herzustellen.

Die Tinte besteht aus einem biokompatiblen und strukturgebenden Hydrogel. Dieses beinhaltet Hyaluronsäure, langkettige Zuckermoleküle sowie Kieselsäure. Das Nährmedium der Bakterien wird der Tinte beigemischt, sodass die Bakterien alles haben, um zu leben. In dieses Hydrogel können die Forscher die Bakterien mit den gewünschten Eigenschaften beimengen und schliesslich beliebige dreidimensionale Strukturen drucken.

Viskos wie Zahnpasta

Bei der Entwicklung des bakterienhaltigen Hydrogels waren dessen Fliesseigenschaften eine besondere Herausforderung. So muss die Tinte ausreichend fliessen können, damit sie sich durch die Druckdüse pressen lässt. Je fester die Tinte, desto schlechter können sich die Bakterien in ihr bewegen und desto weniger produktiv sind sie. Gleichzeitig müssen die ausgedruckten Formen stabil genug sein, damit sie das Gewicht von weiteren Lagen tragen. «Die Tinte muss so viskos wie Zahnpasta sein und die Konsistenz von Nivea-Handcrème haben», fasst Schaffner das Erfolgsrezept zusammen.

Ihr neues Druckmaterial nannten die Wissenschaftler «Flink», was für «functional living ink» steht. Soeben haben sie diese Technik in der Fachzeitschrift Science Advances vorgestellt.

Enormes Potenzial

Die Lebensdauer der gedruckten Minifabriken haben die Materialwissenschaftler noch nicht untersucht. «Da Bakterien kaum Ansprüche haben, gehen wir davon aus, dass sie sehr lange in gedruckten Strukturen überleben können», schätzt Rühs.

Die Forschung steht erst am Anfang. «Das Potenzial, mit bakterienhaltigen Hydrogels zu drucken, ist enorm, weil die Vielfalt an nützlichen Bakterien sehr gross ist», sagt Rühs. Dass bislang kaum jemand bei additiven Verfahren mit Bakterien gearbeitet hat, führt er auf den schlechten Ruf der Mikroorganismen zurück. «Die meisten Menschen bringen Bakterien nur mit Krankheiten in Verbindung. Dabei könnten wir ohne sie gar nicht leben», betont er. Die Forscher halten ihre neue Tinte zudem für komplett unbedenklich. Die verwendeten Bakterien sind allesamt harmlos und nützlich.

Giftstoffsensor und Ölpestfilter

Neben medizinischen und biotechnologischen Anwendungen können sich die Forscher viele weitere nützliche Anwendungen vorstellen. So lassen sich mit solchen Objekten beispielsweise Abbauprozesse oder die Entstehung von Biofilmen untersuchen. Eine praktische Anwendung wäre ein 3D-gedruckter Sensor mit Bakterien, welcher Giftstoffe im Trinkwasser anzeigen würde. Denkbar sind auch bakterienhaltige Filter, die bei Ölkatastrophen zum Einsatz kommen. Herausforderungen sind derzeit die lange Druckzeit und die schwierige Skalierbarkeit. Um Zellulose für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen, braucht Acetobacter derzeit mehrere Tage. Die Wissenschaftler sind jedoch überzeugt, dass sie die Prozesse noch optimieren und beschleunigen können.

Die Entwicklung spezieller Materialien für den 3D-Druck ist eine Spezialität der Forschungsgruppe von ETH-Professor André Studart. So haben er und sein Team auch eine druckfähige hochporöse Tinte aus Keramik entwickelt, mit der sich sehr leichte knochenartige Strukturen für die Energiegewinnung drucken lassen.

Publikation:
Schaffner M, Ruehs PA, Coulter F, Kilcher S, Studart AR. 3D Printing of Bacteria into Functional Complex Materials. Science Advances, published online 1st Dec 2017, DOI: 10.1126/sciadv.aao6804

Externer Link: www.ethz.ch

Akrobatik-Duo in der Zelle

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.12.2017

Wie ein Akrobaten-Duo verleihen sich auch einige Proteine gegenseitig Stabilität. Forscher vom Biozentrum der Universität Basel haben herausgefunden, dass das Protein «Trigger Faktor» seinen Partner anhand von instabilen, beweglichen Abschnitten erkennt und zusammen mit ihm ein stabiles Protein-Duo bildet. Die Studie ist in der aktuellen Ausgabe von «Nature Communications» erschienen.

Falsch gefaltete Proteine sind funktionsuntüchtig und schädigen die Zelle. Um dies zu verhindern, gibt es ein ganzes Arsenal von Proteinen – Chaperone genannt –, die als Faltungshelfer und Qualitätskontrolleuren agieren. Im Bakterium Escherichia coli schützt das Chaperon «Trigger Faktor» (TF) neu hergestellte Proteine vor einer Fehlfaltung. Die Forschungsgruppe von Prof. Sebastian Hiller vom Biozentrum der Universität Basel konnte nun erstmals zeigen, dass sich TFs auch gegenseitig erkennen und stabilisieren. So wie der einzelne Akrobat eines Duos, stehen TF-Chaperone allein auf ziemlich wackeligen Füssen. Erst als Paar finden sie eine stabile Position.

Chaperone als Faltungshelfer für andere Proteine

In einer einzigen Bakterienzelle produzieren mehr als 10’000 Ribosomen Proteine am laufenden Band. Diese Fabriken verbinden die einzelnen Bestandteile eines Proteins zu einer langen Kette und schleusen diese durch einen engen Gang nach aussen. Das Chaperon TF, welches am Ausgang des Ribosoms hängt, nimmt die frisch produzierte Peptidkette in Empfang, schirmt sie von der Umgebung ab und hilft ihr dabei, sich korrekt zu falten. Hat das Protein seine richtige räumliche Struktur gefunden, wird es vom Chaperon entlassen und kann sich seinen Aufgaben in der Zelle widmen.

Ob Akrobat oder Chaperon – nur im Duo stabil

In der Zelle sind deutlich mehr TF-Proteine als Ribosomen vorhanden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die abertausenden von Ribosomen vollständig besetzt sind und alle neugebildeten Proteine sofort abgefangen werden. Die überzähligen TF-Proteine sind jedoch keine Einzelgänger, sondern bilden wie zwei Akrobaten ein stabiles Duo mit einem Partner. Diesen finden sie dabei ganz von selbst.

«Bei den ungebundenen TF-Proteinen ist der Bereich, der sonst an das Ribosom bindet, lokal ungünstig gefaltet und daher energetisch instabil», erklärt Hiller. «Auf der Suche nach einer energetisch günstigen, stabilen Struktur, orientiert sich dieser labile Abschnitt permanent um. Die TFs sind in der Lage, solche dynamischen Bereiche eines Proteins aufzuspüren, auch untereinander.» Indem sich zwei instabile TF-Proteine zusammentun und wie Akrobaten an den kritischen Stellen verbinden, bilden sie ein stabiles räumliches Arrangement.

Chaperone erkennen dynamische Proteinabschnitte

«Die neuen Erkenntnisse über die Dynamik und die Bildung von stabilen TF-Duos erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Funktionsweise von Chaperonen. Sie erkennen und binden nicht einzelne feste Protein-Strukturen, sondern ein dynamisches Ensemble von unterschiedlichen räumlichen Anordnungen», sagt Hiller. «Es zeichnet sich langsam ab, dass diese Funktionsweise ein allgemein gültiges Muster bei Chaperonen ist.» Diese Wirkungsweise der Faltungshelfer aufzuklären und auf atomarer Ebene zu verstehen, ist weltweit ein grosses Anliegen der Forschergemeinschaft. Denn Probleme bei der Faltung von Proteinen stehen auch in Verbindung mit verschiedenen Erkrankungen wie zum Beispiel der Stoffwechselkrankheit Zystische Fibrose, Krebs oder Alzheimer.

Originalbeitrag:
Leonor Morgado, Björn M. Burmann, Timothy Sharpe, Adam Mazur, Sebastian Hiller
The dynamic dimer structure of the chaperone Trigger Factor
Nature Communications (2017), doi: 10.1038/s41467-017-02196-7

Externer Link: www.unibas.ch

Körpereigener Infektionsmarker steuert Antibiotikatherapie

Medienmitteilung der Universität Basel vom 16.10.2017

Mit dem körpereigenen Infektionsmarker Procalcitonin lässt sich der Einsatz von Antibiotika bei Infektionen gezielt steuern. Die Antibiotikatherapie wird verkürzt, aber auch ihre Nebenwirkungen und die Mortalität nehmen ab. Dies berichten Forschende von Universität Basel und Kantonsspital Aarau nach einer Metaanalyse von über 6700 internationalen Daten von Patienten mit Atemwegsinfektionen in der Fachzeitschrift «The Lancet Infectious Diseases».

Procalcitonin ist die Vorstufe eines Schilddrüsenhormons, die bei Gesunden kaum oder gar nicht nachweisbar ist. Kommt es im Körper aber zu einer bakteriellen Entzündung, steigt der Stoff Procalcitonin im Blut plötzlich an. Diesen Mechanismus können sich Mediziner bei der Diagnose von Infektionskrankheiten zunutze machen – denn eine Antibiotika-Behandlung ist bekanntlich nur bei bakteriellen Infektionen sinnvoll. Eine wichtige Rolle spielt dies etwa bei Atemwegsinfektionen, da bei diesen eine Abgrenzung zwischen bakterieller und viraler Infektion oft schwierig ist.

Dass der Einsatz von Procalcitonin eine Antibiotika-Therapie um rund 30% verkürzen kann, ist bereits bekannt. In verschiedenen randomisierten Studien – unter anderem an der Universität Basel – wurde den behandelnden Ärzten anhand des Procalcitoninwerts eine Empfehlung gegeben, ob Antibiotika nötig sind oder ob diese gestoppt werden können. Diese Strategie mit dem Biomarker wurde dann mit eine Kontrollgruppe verglichen, die nach rein klinischen Kriterien über einen Antibiotikaeinsatz entschieden hat.

Gegen Resistenzbildung

Eine neue Metaanalyse unter Leitung von Prof. Dr. Philipp Schuetz vom Departement Klinische Forschung von Universität und Universitätsspital Basel und dem Kantonsspital Aarau zeigt nun, dass durch den Infektionsmarker Procalcitonin die Mortalität bei Patienten mit Atemwegsinfektionen abnimmt. Erzielt wurde eine Reduktion der relativen Mortalität nach 30 Tagen von 14% (von 10% auf 8,6%) sowie eine 25-prozentige Reduktion von Antibiotikanebenwirkungen (von 22,1% auf 16,3%).

«Diese Resultate machen auch Hoffnung, dass dem weltweiten Trend der Antibiotika-Resistenzbildung entgegengewirkt werden kann», kommentiert Schuetz die Studie. Dafür haben 26 Forschungsgruppen aus zwölf Ländern die Daten von 6708 Patienten zur Verfügung gestellt und analysiert – entsprechend dem weltweiten Trend des Data sharing, womit einzelne Patientengruppen besser charakterisiert werden können.

Originalbeitrag:
Philipp Schuetz, Yannick Wirz, Ramon Sager et al.
Effect of procalcitonin-guided antibiotic treatment on mortality in acute respiratory infections: A patient level meta-analysis
The Lancet Infectious Diseases (2017), Available online 13 October 2017 | doi: 10.1016/S1473-3099(17)30592-3

Externer Link: www.unibas.ch

Wie Schalter in Bakterien funktionieren

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.09.2017

Forscher des KIT, der Universität Heidelberg und der Freien Universität Berlin analysieren Struktur und Dynamik von Riboschaltern in lichtoptischen Einzelmolekülexperimenten

Viele Bakterien besitzen molekulare Kontrollelemente, über die sie Gene an- und abschalten können. Diese Riboschalter eröffnen neue Möglichkeiten bei der Entwicklung von Antibiotika oder auch zum Aufspüren und Abbauen von Umweltgiften. Wie die Riboschalter funktionieren, haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Freien Universität Berlin nun anhand von lichtoptischer Mikroskopie an Einzelmolekülen grundlegend untersucht. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Nature Chemical Biology. (DOI: 10.1038/nchembio.2476)

Riboschalter (Riboswitches) liegen auf der Boten-Ribonukleinsäure (mRNA), die genetische Information zum Ort der Proteinbiosynthese transportiert. Ein Riboschalter besteht aus einem Sensor, der die Konzentration eines kleinen Stoffwechselmoleküls misst, und einem Effektor, der die Genexpression und damit die Synthese eines Proteins steuert. Weil Riboschalter in vielen bakteriellen Krankheitserregern vorkommen, stellen sie bei der Entwicklung neuer Antibiotika wichtige Angriffsziele dar. Weitere Anwendungen eröffnen sie in der synthetischen Biologie. Zum Beispiel lassen sich Bakterien mit Riboschaltern gentechnisch so modifizieren, dass sie niedermolekulare Umweltgifte, wie Herbizide, aufspüren und abbauen können. Voraussetzung ist allerdings ein grundlegendes Verständnis der Prozesse, auf denen die Funktion der Riboswitches beruht. Dazu trägt die nun im Magazin Nature Chemical Biology vorgestellte Arbeit wesentlich bei.

Die von der Heidelberg Karlsruhe Research Partnership (HEiKA) geförderte Arbeit entstand in Kooperation der Forschergruppen um Professor Gerd Ulrich Nienhaus am Institut für Angewandte Physik (APH), Institut für Nanotechnologie (INT) und Institut für Toxikologie und Genetik (ITG) des KIT sowie um Professor Andres Jäschke am Institut für Pharmazie und Molekulare Biotechnologie (IPMB) der Universität Heidelberg. Im Fokus der Arbeit steht der S-Adenosyl-L-Methionin (SAM)-I Riboschalter. „Bei diesem Riboschalter bewirkt die Anbindung des SAM-Moleküls, dass sich die Konformation, das heißt die räumliche Anordnung der Atome, von der Antiterminator (AT)-Struktur zur Terminator (T)-Struktur hin verändert“, erklärt Nienhaus. „Dadurch wird die Genexpression abgeschaltet.“

Zunächst synthetisierten die Wissenschaftler in Heidelberg die SAM-I Riboschalter und markierten sie an verschiedenen Stellen gezielt mit je zwei unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen. Die Forscher am KIT untersuchten diese RNA-Moleküle dann in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung mit höchst sensitiven Lichtmikroskopen, welche die Fluoreszenzemission einzelner Farbstoffmoleküle registrierten. In Förster-Resonanzenergietransfer-Experimenten (FRET) ließ sich die Konformationsdynamik direkt erfassen: Ein grüner Farbstoff wird dazu mit Laserlicht zur Lichtemission angeregt. Befindet sich in der Nähe ein roter Farbstoff, kann dieser die Anregungsenergie des grünen Farbstoffs übernehmen und selbst Licht aussenden. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Energietransfer stattfindet, ist stark abhängig vom Abstand der Farbstoffe zueinander, sodass sich Strukturänderungen eines Moleküls, an das die Farbstoffe gezielt angebracht sind, direkt über die Emission des roten Farbstoffs beobachten lassen. Da die Lichtemission extrem schwach ist, bedurfte es aufwendiger Datenanalyseverfahren, basierend auf Hidden Markov Modeling. Professorin Bettina Keller vom Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin entwickelte die Verfahren speziell für diese Art von Experimenten, um die zeitabhängigen Lichtemissionssignale aus dem Rauschen herauszuheben.

Bei der Analyse gelang es den Forschern, nicht nur zwei Konformationen (T und AT) des SAM-I Riboschalters zu unterscheiden, sondern insgesamt vier (T1, T2, AT1 und AT2). Überraschend war auch, dass der Riboschalter in An- und Abwesenheit von SAM nicht, wie eigentlich zu erwarten war, vollständig zwischen T- und AT-Strukturen hin und her schaltete, sondern ständig zwischen allen Zuständen hin und her fluktuierte; lediglich deren Gewichtungen waren verschoben. Ein für die biologische Funktion besonders wichtiges Ergebnis war, dass die beobachteten Strukturfluktuationen mit angedocktem SAM deutlich schneller waren als ohne SAM. Da die Riboschalter-Sequenz auf der Boten-RNA direkt vor dem zu steuernden Gen liegt, muss das RNA-Molekül nach der Synthese – bei Anwesenheit von SAM – schnellstmöglich eine T-Struktur (Schalter aus) einstellen können, um die anschließende Transkription des zu steuernden Gens zu verhindern. Die Beschleunigung der Strukturfluktuationen durch SAM-Bindung stellt demnach sicher, dass die T-Struktur schnell genug eingestellt werden kann. „Mithin spielt die Dynamik des SAM-I Riboschalters eine entscheidende Rolle für seine Funktion“, resümiert Nienhaus vom KIT. „Diese detaillierten Einblicke in die Funktionsweise eines Biomoleküls verdanken wir einem fächerübergreifenden Forschungsansatz mit Beiträgen aus der Physik, der Biotechnologie und der theoretischen Chemie.“ (or)

Publikation:
Christoph Manz, Andrei Yu Kobitski, Ayan Samanta, Bettina G Keller, Andres Jäschke & G Ulrich Nienhaus: Single-molecule FRET reveals the energy landscape of the full-length SAM-I riboswitch. Nature Chemical Biology (2017). DOI: 10.1038/nchembio.2476

Externer Link: www.kit.edu