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02.08.2018

Antibiotikaresistenten Bakterien auf der Spur

Sequenzierung mit neuester Technologie – jederzeit und überall

Gießen - Im Campus-Schwerpunkt „Krankenhaushygiene“ wird die Resistenzentwicklung mittels Genomanalysen erforscht – Gießener Studierende lernen modernste DNA-Sequenzierungstechnologie kennen.

Modernste Technologie in der Lehre: PD Dr. Torsten Hain (4.v.l.), Kursleiter für molekulare Systembiologie vom Institut für Medizinische Mikrobiologie an der JLU, erklärt Studierenden des Studienganges Systembiologie und Bioinformatik die Funktionsweise der Nanoporen-DNA-Sequenzierung. (v.l.n.r.: Prof. Dr. Alexander Goesmann (Professur für Systembiologie an der JLU), Stephen Rudd (Oxford Nanopore Technologies) und Prof. Dr. Trinad Chakraborty (DZIF, Leiter des Instituts für Medizinische Mikrobiologie der JLU). Foto: Kassandra Komma
Modernste Technologie in der Lehre: PD Dr. Torsten Hain (4.v.l.), Kursleiter für molekulare Systembiologie vom Institut für Medizinische Mikrobiologie an der JLU, erklärt Studierenden des Studienganges Systembiologie und Bioinformatik die Funktionsweise der Nanoporen-DNA-Sequenzierung. (v.l.n.r.: Prof. Dr. Alexander Goesmann (Professur für Systembiologie an der JLU), Stephen Rudd (Oxford Nanopore Technologies) und Prof. Dr. Trinad Chakraborty (DZIF, Leiter des Instituts für Medizinische Mikrobiologie der JLU). Foto: Kassandra Komma

Multiresistente Krankenhauskeime stellen eine große Herausforderung im Klinikalltag dar. Mit modernsten Forschungsmethoden wie der Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierungstechnologie suchen die Forscherinnen und Forscher des Campus-Schwerpunkts „Krankenhaushygiene“ am Forschungscampus Mittelhessen (FCMH) nach Gegenstrategien. „Im Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) arbeiten wir daran, mit Hilfe der Gesamtgenomsequenzierung von krankmachenden Bakterien die Antibiotikaresistenzentwicklung besser verstehen zu können“, so Prof. Dr. Trinad Chakraborty, Leiter des Instituts für Medizinische Mikrobiologie an der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und Forscher des Campus-Schwerpunkts „Krankenhaushygiene“ am FCMH.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen unter anderem die sogenannte Nanoporen-Sequenzierung. Deren Grundlage ist eine Membran, die mit Nanoporenproteinen durchsetzt ist. Wird über diese Membran eine Spannung angelegt, strömt die DNA durch die winzigen Poren und jede der vier Basen der DNA verursacht dabei eine charakteristische Änderung der Spannung. Aus diesem Signal kann die DNA-Sequenz berechnet werden.

Nanoporen-DNA-Sequenzierung ermöglicht neue Therapieansätze

„Die Nanoporen-DNA-Sequenziermethode ermöglicht uns, die vollständige Erbsubstanz von Viren und Bakterien durch ultralange Sequenzleseweiten von über 100.000 Basen in Minuten zu bestimmen“, sagt PD Dr. Torsten Hain vom Institut für Medizinische Mikrobiologie der JLU. „Wir nutzen diese Methode unter anderem im DFG-Sonderforschungsbereich / Transregio 84 für die Mikrobiomanalyse und Metagenomik, um mikrobielle Lebensgemeinschaften bezüglich ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften bei Darm- und Lungenerkrankungen des Menschen detaillierter beschreiben zu können“, so Hain. „Unser Ziel ist es, neuartige Therapien zu entwickeln, bei denen gesundheitsfördernde Bakterien zur Behandlung mikrobieller Infektionen eingesetzt werden.“

Ein weiterer Vorteil der Methode: Das Sequenzierungsgerät ist so handlich, dass man die Erbgutanalyse direkt am Ort der Probenentnahme vornehmen kann – so wurde die Nanoporen-Sequenzierung bereits bei Feldstudien im Regenwald in Südamerika eingesetzt, in der kanadischen Arktis und sogar auf der Internationalen Raumstation im Weltall.

Verarbeitung großer Datenmengen

Da mit Hilfe moderner Sequenziermethoden wie der Nanoporen-Sequenzierung innerhalb kürzester Zeit sehr umfangreiche Datenmengen generiert werden, sind die Forscherinnen und Forscher für die weitere Verarbeitung auf leistungsfähige Hard- und Software angewiesen. Über umfangreiche Datenbankvergleiche sowie weitere Methoden lassen sich Vorhersagen zur möglichen Funktion jedes Gens berechnen und besondere genetische Eigenschaften identifizieren, wie zum Beispiel zusätzliche Resistenzen gegen Antibiotika.

Eine Software zur automatisierten Durchführung dieser aus verschiedenen Schritten bestehenden Sequenzanalyse wird derzeit an der Professur für Systembiologie an der JLU im Rahmen des DZIF entwickelt. Das Programmpaket ASA3P lässt sich sehr leicht zur Analyse einiger weniger Genome auf einem leistungsfähigen Desktop-Rechner installieren und erfordert nur minimale Computerkenntnisse. „Für umfangreichere Datensätze kann eine Cloud-basierte Variante der Software verwendet werden, die in der Lage ist, tausende Genome pro Tag zu prozessieren“, sagt Prof. Dr. Alexander Goesmann, Professor für Systembiologie an der JLU.

Einsatz in der Lehre

Die hochmoderne Sequenzierungsmethode wird auch in der Lehre eingesetzt: So lernen Studierende des Masterstudiengangs Systembiologie und Bioinformatik an der JLU in ihrem Schwerpunktpraktikum der molekularen Systembiologie die Nanoporen-Sequenzierungsmethode als neueste Technologie zur Bestimmung von DNA und RNA kennen. „Damit nutzen wir diese Hochtechnologie nicht nur im Rahmen von Sonderforschungsbereichen (SFB1021 und SFB / TRR 84) und klinischen Forschergruppen (KFO309), sondern bilden auch die Studierenden in der Systembiologie und Bioinformatik sowie in der Medizin auf modernstem Niveau aus“, sagt  PD Dr. Torsten Hain.

 

Quelle: Pressemitteilung der Justus-Liebig-Universität Gießen 

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