Anwendungen der 16S rRNA-Sequenzierung

Das 16S rRNA-Gen, eine DNA-Sequenz, die rRNA kodiert und im Genom aller Bakterien vorhanden ist, ist ein entscheidendes molekulares Marker in der mikrobielle Ökologie aufgrund seiner universellen Existenz und einzigartigen evolutionären Eigenschaften.

Da das 16S rRNA-Gen innerhalb von Bakterien konserviert bleibt und hypervariable Regionen aufweist, die artspezifische Sequenzsignaturen bieten können, wird es zu einem umfassend genutzten Werkzeug für die bakterielle Identifizierung und phylogenetische Studien. Seine Eigenschaften der schnellen Verarbeitung, Kosteneffizienz und hohen Präzision machen es besonders attraktiv. Die Verwendung des 16S rRNA-Sequenzierung Die Technik hat sich umfassend in der Grundlagenforschung sowie in Bereichen wie medizinischer Mikrobiologie, forensischer Wissenschaft, landwirtschaftlicher und industrieller Mikrobiologie verbreitet.

Grundlagenforschung

16S rRNA-Sequenzierung spielt eine entscheidende Rolle in allgemeinen Untersuchungen, einschließlich Taxonomie, ökologischen Studien und evolutionärer Forschung.

In erster Linie, 16S rRNA-Sequenzierung ermöglicht die Identifizierung von unbekannten Mikroorganismenarten und -unterarten und erleichtert die mikrobiologische Taxonomie. Die Homologie von 16S rRNA-Gen-Sequenzen hat eine der schnellsten Methoden zur Bestimmung des taxonomischen Status von Arten bereitgestellt. Derzeit halten die GenBank- und EzBiocloud-Datenbanken eine große Menge an 16S rRNA-Gen-Sequenzen, die von Typstämmen verschiedener Prokaryoten stammen. Diese Sequenzen können unbekannte Bakterien schnell und genau durch Online-BLAST-Ausrichtungen klassifizieren. Darüber hinaus, 16S-rRNA-Sequenzierung wird häufig zur Charakterisierung von Mikroorganismen aus verschiedenen Umgebungen wie Flüssen, Ozeanen und Böden verwendet.

Darüber hinaus, 16S rRNA-Sequenzierung findet umfangreiche Anwendung bei der Erkennung und dem Vergleich phylogenetischer Beziehungen zwischen verschiedenen Arten und Stämmen und unterstützt den Aufbau eines phylogenetischen Stammbaums des Lebens. Es kann über die evolutionäre Distanz und gemeinsame Vorfahren zwischen Arten informieren, den Prozess der Artenbildung und -differenzierung untersuchen und die genetische Divergenz sowie die Populationsstruktur zwischen Arten erforschen.

Abbildung 1. Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft gruppiert nach pH und Temperatur. (Hou et al., 2013)

Darüber hinaus, 16S rRNA-Sequenzierung bietet hochdurchsatzfähige mikrobiologische taxonomische Informationen, die Ökologen befähigen, die Vielfalt und Zusammensetzung von Mikroorganismen in verschiedenen Umgebungen zu verstehen. Durch die Sequenzierung der 16S rRNA aus verschiedenen Umweltproben, wie Boden, Gewässern, Luft und intrabiologischen Proben, können wir die Struktur und Funktionen mikrobieller Gemeinschaften innerhalb verschiedener Ökosysteme vergleichen und die Rollen sowie ökologischen Nischen spezifischer mikrobieller Gemeinschaften identifizieren. Darüber hinaus kann die Analyse der 16S rRNA-Sequenzen mikrobieller Gemeinschaften wichtige ökologische Prozesse innerhalb eines Ökosystems aufklären, einschließlich Kohlenstoff- und Stickstoffkreisläufe, und somit Wissenschaftler bei weiteren Untersuchungen unterstützen.

Durch den vergleichenden Vergleich von mikrobiellen Gemeinschaften in verschiedenen Umgebungen können wir verstehen, wie Mikroorganismen sich an ihre Umgebung anpassen und die symbiotischen Beziehungen untereinander. Es hilft, das evolutionäre Zusammenspiel zwischen Wirten und assoziierten symbiotischen Mikroorganismen zu untersuchen, wie die Koevolution von Darmmikrobiota und Wirten. Durch die Überwachung von Veränderungen in den mikrobiellen Gemeinschaften innerhalb eines Ökosystems können wir die Auswirkungen von Umweltverschmutzung, biologischen Invasionen und anderen störenden Faktoren auf die Gesundheit des Ökosystems bewerten und somit seine Stabilität und Nachhaltigkeit einschätzen.

Medizinisches Feld

Die Anwendung von 16S rRNA-Sequenzierung primär umfasst die Krankheitsdiagnose und -überwachung, personalisierte Gesundheitsversorgung, Arzneimittelentwicklung sowie die Kontrolle und Prävention von Infektionskrankheiten im medizinischen Bereich.

16S rRNA-Sequenzierung wird eingesetzt, um Bakterien und Archaeen in klinischen Proben zu erkennen, was die Diagnose von bakteriellen Infektionen erleichtert, insbesondere von solchen, die durch seltene oder schwer kultivierbare Erreger verursacht werden. In der klinischen Praxis können die ursächlichen Erreger von Infektionen genau identifiziert werden, indem die 16S rRNA-Sequenzen aus PatientProben mit den 16S rRNA-Sequenzen von Bakterien in einer Datenbank verglichen werden. Qian und Kollegen haben durch den Vergleich der Mikrobiomzusammensetzung des Blutes von 58 Parkinson-Patienten und 57 gesunden Individuen mittels 16S rRNA-Sequenzierunghaben mögliche signifikante Zusammenhänge zwischen den Gattungen aufgedeckt Paludibacter und Saccharofermentans und Parkinson-Krankheit.

Die Verwendung von 16S rRNA-Sequenzierung bietet kritische Einblicke in die mikrobiellen Gemeinschaften von Patienten, die eine Vorhersage des Arzneimittelstoffwechsels und von Nebenwirkungen ermöglichen. Darüber hinaus kann diese Sequenzierungstechnik bei der Entdeckung mikrobieller Marker, die mit verschiedenen Krankheiten assoziiert sind, helfen und potenzielle Ziele für die Entwicklung neuer Medikamente oder die Bewertung der Arzneimittelwirksamkeit bieten. In einer bemerkenswerten Studie nutzten He und Kollegen sowohl 16S rRNA-Sequenzierung und Metabolomik-Analysen in Kombination, um biologische Marker zu identifizieren, die mit einer durch Medikamente induzierten Leberverletzung assoziiert sind. Sie konstruierten ein Ko-Linäritätsnetzwerkdiagramm wichtiger mikrobieller Metaboliten. Die Ergebnisse deuteten auf positive Korrelationen zwischen Corticosteron, Prostaglandin I1, Bioyclo Prostaglandin E2 und oleanolsäure mit den Gattungen Blautia und Ralstonia hin. Interessanterweise wurden negative Korrelationen mit der Gattung Veillonella beobachtet. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Mikrobiom und Medikamenten und bieten potenzielle Ansätze für therapeutische Fortschritte und die Bewertung der Arzneimittelsicherheit.

Im Angesicht von Infektionskrankheiten könnte die Analyse der 16S-rRNA-Sequenzen pathogener Mikroorganismen wertvolle Einblicke in die Übertragungswege und Variationen von Krankheiten bieten, wodurch die rechtzeitige Umsetzung von Strategien zur Kontrolle von Infektionskrankheiten unterstützt wird. Eine von Morel und Kollegen durchgeführte Studie umfasste die Auswertung von 32.948 klinischen Proben von 18.056 Patienten. Durch den Einsatz von Technologien wie 16S rRNA-SequenzierungSie identifizierten 1.192 Fälle von Infektionen und schufen damit eine solide Datenbasis für zukünftige Interventionsmaßnahmen.

Landwirtschaft

Die Anwendung von 16S rRNA-Sequenzierung In der Landwirtschaft umfasst mehrere Aspekte, darunter Bodenqualität, Pflanzenwachstum und Krankheitsbekämpfung.

Bewertungen der Bodenqualität können erheblich durch die Überwachung von Veränderungen in den Bodenmikroben-Gemeinschaften informiert werden, basierend auf Daten, die aus 16S rRNA-Sequenzierung dieser Mikro-Ökosysteme. Diese Informationen dienen als Referenz für Maßnahmen zur Bodenbewirtschaftung. Darüber hinaus können die funktionalen Eigenschaften von Mikroorganismen, die im Boden leben, durch 16S rRNA-Sequenzen aufgeklärt werden. Dieser Einblick in die Arten und Funktionen von nützlichen Mikroorganismen kann die Praktiken der Bodenbewirtschaftung optimieren und somit die Bodenfruchtbarkeit und den Ertrag der Pflanzen steigern.

Die Technik kann auch eingesetzt werden, um mikrobielle Stämme mit positiven Eigenschaften zu isolieren. Die Anwendung dieser Probiotika in Boden- oder Saatgutbehandlungen kann das Pflanzenwachstum anregen, die Krankheitsresistenz stärken und die Erträge steigern. Umgekehrt können pathogene Mikroben identifiziert werden, was Vorhersagen ermöglicht und präventive Maßnahmen für die Pflanzen ergriffen werden können, wodurch effektive Managementstrategien zur Krankheitsbekämpfung angeboten werden.

Darüber hinaus, 16S rRNA-Sequenzierung kann verwendet werden, um die Reaktion von mikrobiellen Gemeinschaften im Boden auf Umweltverschmutzung zu überwachen und somit wissenschaftliche Beweise für den Umweltschutz und Strategien zur Bodenrehabilitation zu liefern.

Industriell

Im Bereich der industriellen Mikrobiologie, 16S rRNA-Sequenzierung kann als entscheidendes Werkzeug für Aufgaben wie die Screening von Mikrobenstämmen, die Optimierung von Fermentationsprozessen und die Qualitätskontrolle von Produkten dienen.

Die Sequenzierung der 16S-rRNA ermöglicht die Entdeckung neuartiger mikrobieller Stämme mit spezifischen metabolischen Eigenschaften oder Bioaktivitäten, wodurch die Entwicklung neuer Produkte oder die Verbesserung bestehender Produkte in der industriellen Produktion gefördert wird. Darüber hinaus kann die Vorhersage der Stoffwechselwege und Biosynthesefähigkeiten mikrobieller Stämme Potenziale für die Produktion neuartiger bioaktiver Substanzen aufzeigen.

Während der Fermentationsprozesse, die Nutzung von 16S rRNA-Sequenzierung Die Überwachung der dynamischen Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften kann wesentliche Einblicke liefern. Die Bewertung der wettbewerblichen Komplexität und der Betriebsmechanismen verschiedener mikrobieller Stämme während der Fermentation kann dazu beitragen, den Ertrag und die Qualität des Produkts zu steigern. Weitere Vorteile können durch die Identifizierung und genetische Manipulation von mikrobiellen Stämmen mit überlegener Fermentationsleistung erzielt werden, wodurch sowohl die Effizienz als auch der Ertrag gesteigert werden.

Im Kontext der biologischen Behandlung von Industrieabfällen – einschließlich Abwasser, Abgasen und festen Abfällen – 16S rRNA-Sequenzierung kann das Screening von mikrobiellen Stämmen ermöglichen, die in der Lage sind, Abfall abzubauen, wodurch die Ressourcennutzung und der Umweltschutz gefördert werden. Darüber hinaus kann die Entdeckung mikrobieller Stämme mit Potenzial zur Bioenergieproduktion – nämlich die Erzeugung von Biowasserstoff, Biogas und Bioethanol – das industrielle Wachstum ankurbeln.

Forensische Wissenschaft

Im Bereich der forensischen Wissenschaft, 16S rRNA-Sequenzierung spielt eine entscheidende Rolle und wird häufig in Bereichen wie Identitätsüberprüfung, kriminaltechnischen Ermittlungen und forensischer Pathologie angewendet.

16S rRNA-Sequenzierung ermöglicht die Identifizierung und Analyse von Mikroben, die in menschlichen Gewebeproben (wie Blut, Gewebe oder Knochen) gefunden werden, und erleichtert somit die Bestätigung oder Validierung der Identität. Durch die Implementierung 16S rRNA-Sequenzierung Bei mikrobiellen Proben, die an Tatorten gesammelt wurden, kann die mikrobielle Gemeinschaft in diesen Proben analysiert werden. Anschließend kann der Vergleich mit mikrobiellen Gemeinschaften, die in den persönlichen Gegenständen von Verdächtigen wie Mobiltelefonen oder Kleidung vorhanden sind, dabei helfen, verdächtige Personen zu identifizieren. In Fällen, in denen ausreichende menschliche DNA-Proben nicht verfügbar sind, kann die Sequenzierung der 16S rRNA mikrobieller Gemeinschaften genetische Informationen über Opfer oder verdächtige Kriminelle liefern.

Abbildung 2. Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaft des Speichels und der Mundschleimhaut auf Phylum- und Gattungsebene. (Wang et al., 2022)

In der forensischen Pathologie, für nicht identifizierbare Leichname oder Überreste, 16S rRNA-Sequenzierung hilft bei der Entschlüsselung von mikrobiellem DNA, die in den Körpergeweben vorhanden ist, und ergänzt somit die Identifizierung und Validierung von Leichnamen. Die 16S rRNA-Sequenzierung mikrobiellen Gemeinschaften bei Familienmitgliedern oder identitätsbestätigten Personen kann die Verwandtschaftsbewertung ermöglichen und somit zusätzliche Erkenntnisse für die forensische Verwandtschaftsidentifikation liefern. Darüber hinaus die 16S rRNA-Sequenzierung Die Gewebeproben der Leiche können Aufschluss über Variationen in den mikrobiellen Gemeinschaften vor und nach dem Tod geben, was somit die Bestimmung von Zeit und Todesursache unterstützt.

16S rRNA-Sequenzierung kann auch die Erkennung und Identifizierung von pathogenen Mikroben in den Körpergeweben erleichtern, die möglicherweise mit der Todesursache in Verbindung stehen, wie zum Beispiel bakteriellen Infektionen.

Referenzen:

1. Hou W, Wang S, Dong H, et al. Eine umfassende Volkszählung der mikrobiellen Vielfalt in heißen Quellen von Tengchong, Provinz Yunnan, China, unter Verwendung von 16S rRNA-Gen-Pyrosequenzierung. PloS One, 2013, 8(1): e53350.
2. Qian Y, Yang X, Xu S, et al. Nachweis des mikrobiellen 16S rRNA-Gens im Blut von Patienten mit Parkinson-Krankheit. Grenzen der Altersneurowissenschaften, 2018, 10: 156.
3. Du J, Xiao K, Huang Y, et al. Saisonale und räumliche Vielfalt von mikrobiellen Gemeinschaften in marinen Sedimenten des Südchinesischen Meeres. Antonie van Leeuwenhoek, 2011, 100: 317-331.
4. He K, Liu M, Wang Q, et al. Kombinierte Analyse von 16S rDNA-Sequenzierung und Metabolomik zur Suche nach Biomarkern für durch Medikamente induzierte Leberschäden. Wissenschaftliche Berichte, 2023, 13(1): 15138.
5. Morel A S, Dubourg G, Prudent E, et al. Komplementarität zwischen gezielter Echtzeit-spezifischer PCR und konventioneller breiter 16S rDNA PCR in der syndromgesteuerten Diagnose von Infektionskrankheiten. Europäische Zeitschrift für klinische Mikrobiologie und Infektionskrankheiten, 2015, 34: 561-570.
6. Prabhavathy G, Rajasekara M, Senthilkumar B. Identifizierung von industriell wichtigen alkalischen Protease-produzierenden Bacillus subtilis durch 16S rRNA-Sequenzanalyse und deren Anwendungen. Int. J. Forsch. Pharma. Biomed. Wiss., 2013, 4: 332-338.
7. Hu N, Lei M, Zhao X, et al. Analyse der Mikrobiota in Hainan Yucha während der Fermentation durch hochdurchsatzsequenzierung des 16S rRNA-Gens. Zeitschrift für Lebensmittelverarbeitung und -konservierung, 2020, 44(7): e14523.
8. Wang S, Song F, Gu H, et al. Vergleichende Bewertung der Speichel- und Wangenschleimhautmikrobiota durch 16S rRNA-Sequenzierung für forensische Untersuchungen. Grenzen der Mikrobiologie, 2022, 13: 777882.
9. Speruda M, Piecuch A, Borzęcka J u. a. Mikrobielle Spuren und ihre Rolle in der forensischen Wissenschaft. Journal für Angewandte Mikrobiologie, 2022, 132(4): 2547-2557.