Die Anwendungen der Bioinformatik in der Mikrobiotechnologie

Bioinformatik ist eine Disziplin, die auf der Grundlage von Biologie, Mathematik und Informatik entwickelt wurde. Sie erwirbt und analysiert effektiv biologische Daten wie Nukleinsäuresequenzen und Proteinstrukturen, um umfassende und genaue biologische Analysen durchzuführen. Bioinformatik ist ein äußerst wichtiges Werkzeug zur Untersuchung von Mikroorganismen, die weit verbreitet und sehr vielfältig sind. Im Bereich der Mikrobiologie erfolgt die Organisation und Anwendung von Daten durch Bioinformatik kann die Qualität der mikrobiologischen Forschung erheblich verbessern.

Einführung in die Bioinformatik

Bioinformatik stellt ein interdisziplinäres Feld dar, das Konzepte aus der Informatik, Mathematik und Biologie synthetisiert. Die Disziplin umfasst das Erheben, Verarbeiten, Speichern, Verteilen, Analysieren und Interpretieren biologischer Daten, wobei auf rechnergestützte und mathematische Methoden zurückgegriffen wird und biologische Werkzeuge eingesetzt werden, um den Reichtum an Informationen, der in solchen großen Datensätzen enthalten ist, zu erhellen und zu verstehen. Das Ziel von Bioinformatik besteht darin, biologische Daten zu bereichern und Computeralgorithmen für deren Analyse anzuwenden. Im Wesentlichen befasst es sich mit der Analyse, Speicherung und dem Austausch großer Mengen biologischer Daten. Für die Bioinformatik stellt der biologische Inhalt das Forschungsziel, die Entität und das Objekt dar, während die Informationswissenschaft die Forschungsplattform, Technologien und Mittel bereitstellt.

Anerkannt als eine aufstrebende interdisziplinäre Wissenschaft, Bioinformatik hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten zu einer der am schnellsten wachsenden wissenschaftlichen Disziplinen entwickelt. Dieses Wachstum ist nicht nur auf bedeutende Fortschritte in den Forschungsmethoden und technologische Entwicklungen innerhalb der Biologie zurückzuführen, insbesondere auf den kontinuierlichen Fortschritt in der Omik-Technologie, die zu exponentiell wachsenden Mengen biologischer Daten führt, sondern auch auf das rasante Tempo der Informationswissenschaft, insbesondere in der Computertechnologie. Folglich ist die Speicherung und Analyse von großflächigen genomisch, transkriptomischund proteomische Datensätze sind keine Rechenherausforderungen mehr. Das Aufkommen von speziellen Computeralgorithmen, wie maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz, ermöglicht ein tieferes Verständnis und die Extraktion biologischer Daten, was unser Wissen über die Sprache des Lebens mit Hilfe von Computertechnologie vorantreibt. Bioinformatik umfasst zentrale Bereiche wie biologische Datenbanken, Sequenzalignment, Gen- und Promotorvorhersage, molekulare Phylogenetik, Struktur BioinformatikGenomik und Proteomik.

Die Anwendungen der Bioinformatik in der mikrobiellen Forschung sind vielfältig und bieten entscheidende Unterstützung in Bereichen wie der Klassifikation von Mikroorganismen, der Genfunktion und Stoffwechselwegen, den regulatorischen Mustern der Genexpression sowie der Entwicklung von Medikamenten und Antibiotika. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Bioinformatik Technologie, es wird erwartet, dass diese Technik ihre entscheidende Rolle im Bereich der mikrobiologischen Forschung beibehalten wird, wodurch der Fortschritt und die Weiterentwicklungen innerhalb der Mikrobiologie als Disziplin katalysiert werden.

Bioinformatik in der mikrobiellen Identifizierung

Der Identifikation Die genetische Vielfalt einer großen Anzahl von Mikroorganismen ist ein datintensives Projekt, und Bioinformatik kann dessen Effizienz erheblich verbessern. Durch Informationen über Proteinsequenzen, DNA-Sequenzen und Proteinstrukturen, Bioinformatik Technologie kann Forschern ein präzises und schnelles Mittel zur Profilerstellung von Mikroben bieten. Zum Beispiel die Einzelmolekül-Sequenzierung, die von PacBio SMRT kann fluoreszierende Signale für die Sequenzierung von Mikroorganismen nutzen und die Synchronisation von Synthese und Sequenzierung realisieren. Die Anwendung von Sequenzierungstechnologien wie der Sanger-Sequenzierung und der Next-Generation-Sequenzierung (NGS) ermöglicht den Erwerb von mikrobiellen genomischen Sequenzen. Durch die Nutzung Bioinformatik Werkzeuge für die Sequenzanpassung und Artenidentifikation ermöglichen es uns, die taxonomische Position von Mikroorganismen präzise zu bestimmen und somit zur Forschung über ihre phylogenetischen Beziehungen beizutragen. Gleichzeitig können wir durch den Vergleich und die Untersuchung von Unterschieden zwischen verschiedenen mikrobiellen Genomen die Mechanismen aufklären, die der mikrobiellen Evolution und den Prozessen der Umweltanpassung zugrunde liegen.

Die Arbeit von Reller et al. ist ein herausragendes Beispiel. Diese Forscher identifizierten eine neue Spezies in der klinischen Medizin durch Sequenzierungstechnologien, gefolgt von Bioinformatik Analyse. Das Verfahren hat nicht nur unsere Fähigkeit zur Erkennung neuer Krankheitserreger verbessert, sondern auch die taxonomischen Beziehungen verfeinert. Es könnte unser Verständnis der Mechanismen vertiefen, durch die Mikroben Krankheiten hervorrufen. Nach der Identifizierung von Mikroben werden zunehmend Informationen in relevante Datenbanken wie NCBI hochgeladen, was umfangreiche Analysen und Forschungen zur mikrobiellen Vielfalt in der Umwelt erleichtert. Diese fortlaufende Entwicklung fördert den Fortschritt der Mikrobiomforschung.

Abbildung 1. Meldung neuer Arten unter Verwendung phylogenetischer Bäume. (Reller et al., 2007)

Abbildung 2. Tortendiagramm der mikrobiellen Vielfalt. (Fykse et al., 2015)

Bioinformatik in der mikrobiellen Rückverfolgbarkeitsanalyse

Die phylogenetische Beziehung von Mikroorganismen ist relativ komplex, sodass es eine Herausforderung darstellt, die Verfolgungsanalyse durchzuführen. Durch BioinformatikanalyseWissenschaftler können leicht evolutionäre Bäume erstellen und die evolutionären Beziehungen zwischen Arten und Molekülen beschreiben, um verschiedene Bedürfnisse in der Pharmazie, Diagnostik, Lebensmittelindustrie, Umweltschutz usw. zu erfüllen.

Bioinformatik hat wertvolle Anwendungen zur Rückverfolgung von Ursprüngen. Durch die Sequenzierung des gesamten Genoms eines Mikrobens können umfassendere mikrobielle genetische Informationen gewonnen werden, die entscheidend für die Verfolgung der Quelle und der Variation des Mikros sind. Durch die Analyse des gesamten Genoms einer mikrobiellen Gemeinschaft können die Wechselbeziehungen und Funktionen zwischen verschiedenen Mikroben aufgedeckt werden, was ein tieferes Verständnis für die Überwachung und Forschung von Mikroben bietet. Darüber hinaus können mathematische Modelle unter Verwendung von Bioinformatik Methoden zur Vorhersage der Ausbreitungsrouten und ökologischen Verhaltensweisen von Mikroben, die wertvolle Einblicke für die Verfolgung und Kontrolle von Mikroben bieten.

Die komplexen phylogenetischen Beziehungen von Mikroben sind eine Herausforderung, die es zu entschlüsseln gilt. Eine wichtige Anwendung von Bioinformatik In diesem Bereich erfolgt der Bau phylogenetischer Bäume, um evolutionäre Beziehungen zwischen Arten oder Molekülen darzustellen. Besonders bemerkenswert ist, dass schwedische Wissenschaftler im August 2005 durch den Einsatz von Virus-Screening-Methoden auf molekularer Ebene ein neuartiges humanes Bocavirus (HBoV) in den Atemwegssekreten von Kindern entdeckten und die vollständige Genomsequenzierung dieses Virus abschlossen. Bis August 2006 wurde auch der erste Fall von HBoV in China nachgewiesen. Dieses Virus, das schwer von anderen Atemwegsviren zu unterscheiden ist, hat umfangreiche Aufmerksamkeit von zahlreichen Experten und Wissenschaftlern auf sich gezogen. Zum Beispiel nutzten Zhang und seine Kollegen phylogenetische Analysen, um die mikrobielle Gemeinschaft in chinesischem Fen-Geschmack Daqu zu bewerten und Umweltfaktoren zu untersuchen. Die Rückverfolgung der Ursprünge von Mikroben in Daqu trägt dazu bei, den Einfluss externer Mikroben auf die mikrobielle Umgebung von Daqu zu verdeutlichen und somit deren Stabilität zu bewahren.

Abbildung 3. Mikrobielle Rückverfolgbarkeitsanalyse von NDaqu zur Bestimmung des Beitragsanteils verschiedener Quellen. (Zhang et al., 2023)

Die FDA hat das United States Open Genome Sequencing Network ins Leben gerufen, das aus staatlichen, bundesstaatlichen, internationalen und kommerziellen Partnern besteht. Das GenomeTrakr-Netzwerk stellt den ersten verteilten genomischen Überwachungsschutz zur Charakterisierung und Rückverfolgung der Ursprünge von lebensmittelbedingten Ausbruchserregern dar. Das GenomeTrakr-Netzwerk leitet Untersuchungen und regulatorische Maßnahmen bei lebensmittelbedingten Krankheitsausbrüchen und erleichtert genauere und schnellere Rückrufe kontaminierter Lebensmittel sowie die Überwachung präventiver Kontrollmaßnahmen in Lebensmittelproduktionsumgebungen. Das erweiterte Netzwerk wird zur Schaffung eines internationalen schnellen Überwachungssystems für die Verfolgung von Krankheitserregern beitragen, das entscheidend für die Unterstützung effektiver öffentlicher Gesundheitsmaßnahmen bei bakteriellen Ausbrüchen ist.

Abbildung 4. Datenfluss für die GenomeTrakr-Datenbank und -Netzwerk. (Allard et al., 2016)

Bioinformatik bei der Erkennung pathogener Gene

Durch die Durchführung einer genomweiten Homologieanalyse können die pathogenen Mikroorganismen und ihre Virulenzgene effizient und umfassend identifiziert werden. Zum Beispiel durch die Einrichtung einer Genombarkodierungsdatenbank mittels Hochdurchsatzsequenzierung und Bioinformatik Durch Technologie kann die Annotation massiver Sequenzdaten von mikrobiellen Genomen erreicht werden, was von großer praktischer Bedeutung für die Prävention, Diagnose und Behandlung von Krankheiten ist.

Derzeit verlagert sich das Feld der Mikrobiologie von Studien zu einzelnen Genen hin zu Forschungen, die mehrere Gene oder sogar intergenomale Interaktionen mit zunehmender Spezifität einbeziehen. Der vergleichende Homologievergleich ganzer genomischer Sequenzen ermöglicht die Identifizierung spezifischer Antigene auf verschiedenen Ebenen, wie Gattung, Gruppe, Art, Typ oder Subtyp pathogener Bakterien. Virulenzinseln, exogene DNA-Segmente, die in das bakterielle Genom integriert sind, sind von besonderem Interesse. Diese einzigartigen Segmente kommen in pathogenen Bakterienstämmen vor, die Toxizität verleihen, fehlen jedoch in benachbarten nicht-pathogenen Stämmen.

Aufgrund der inherenten Eigenschaften von Mikroben, Bioinformatik hat sich als entscheidend erwiesen, um die Forschung zur Artenzusammensetzung, Zellpopulation und ökologischen Funktion verschiedener mikrobieller Taxa in natürlichen Umgebungen voranzutreiben. Es bietet auch Orientierung für Pharmaunternehmen und andere Einrichtungen in ihrem Bestreben nach der Entwicklung und Ausbeutung mikrobieller Ressourcen sowie der Isolierung und Prüfung von Stämmen. Darüber hinaus, Bioinformatik liefert wichtige Informationen über die Zusammensetzung, Verteilung, Menge und andere Arten von Daten zu mikrobiellen Populationen unter unterschiedlichen Umweltbedingungen.

Bioinformatik in der Entwicklung neuartiger Impfstoffe

Bioinformatik, seit seiner Gründung, spielt eine wesentliche Rolle bei revolutionären Fortschritten in der mikrobiologischen Forschung. Ein deutliches Beispiel zeigt sich im Kontext des Impfstoffentwicklungsprozesses für die Neisseria meningitidis Gruppe B, der erste Fall, in dem die genomische Sequenz von Mikroben die Grundlage für einen neuen Impfstoff bildete. Dieser genombasierte Ansatz hat sich als effektive Strategie für die Entwicklung einer breiten Palette von Impfstoffen gegen pathogene Mikroorganismen erwiesen. Da das Gebiet der mikrobiellen Genomik und Bioinformatik entwickelt sich weiter und revolutioniert die Landschaft der Impfstoffforschung. Im zeitgenössischen Kontext der Entdeckung neuer Impfstoffe reicht die Rolle der Bioinformatik von der Identifizierung von Impfstoffzielen über die Vorhersage der Antigenität bis hin zur Gestaltung und Optimierung der Impfstoffe. Die Anwendung von Bioinformatik Technologie ermöglicht eine Beschleunigung des Impfstoffentwicklungsprozesses und verbessert deren Sicherheits- und Wirksamkeitsmerkmale. Dies bildet ein robustes Werkzeug zur Prävention und Eindämmung von Infektionskrankheiten und läutet eine transformative Epoche in der mikrobiologischen Forschung ein.

Ebenso führten Ge und seine Kollegen eine Analyse des offenen Leserahmens (ORF) sowie eine Vorhersage von extrazellulären Proteinen von Streptococcus sanguinis durch, einem der vielen Bakterien, die an der Bildung von Zahnbelag beteiligt sind. Obwohl dieses Bakterium normalerweise harmlos für den Menschen ist, kann es potenziell eine tödliche infektiöse Endokarditis verursachen, wenn es in den Blutkreislauf gelangt. BioinformatikDie durch Analyse gewonnenen Daten führten zu 43 Kandidaten-Proteinantigenen, die nach Experimenten mit Tiermodellen und der Affinitätschromatographie-Reinigung zu 9 verschiedenen Antikörpern führten. Weitere Tests, einschließlich Antiserum-Assays, kompetitiver Enzym-gebundener Immunosorbent-Assays und fluoreszenzaktivierter Zellseparation (FACS), zeigten eine starke Reaktivität zwischen den gereinigten Antikörpern und sowohl den neun Proteinen als auch S. sanguinis, was darauf hindeutet, dass diese Proteine an der Oberfläche des Bakteriums exponiert sind. Die Forschungsergebnisse legen nahe, dass diese neun extrazellulären Proteine als Referenzantigene für die Entwicklung neuer Impfstoffe dienen könnten.

Bioinformatik in der Arzneimittelproduktion

Mikroorganismen sind vielfältig, ebenso wie ihre Metaboliten, was die Grundlage für die Entwicklung und Forschung neuer Medikamente bietet. Zum Beispiel im Bereich der Antibiotika-Forschung, Bioinformatik wird häufig zur Analyse mikrobieller Gensequenzen, zur Entwicklung von Ansätzen für die mikrobielle Synthese und zur Enzymtechnik verwendet.

Die unzählige Vielfalt und die metabolischen Fähigkeiten von Mikroorganismen, die in der Natur gedeihen, treiben die Entwicklung neuartiger mikrobieller Entitäten voran. Im Bereich der Lebenswissenschaften kann die Einführung innovativer mikrobieller Agenzien durch molekularbiologische Techniken eine robuste Unterstützung für die Arzneimittelentdeckung bieten. Die koordinierte Biosynthese, die Wege umfasst, die durch kodierte Beteiligung orchestriert werden, nutzt die Austauschbarkeit unter Enzymgenen und erzeugt heterozygote Genhybride bei der Untersuchung mikrobieller Sekundärmetaboliten. Folglich fördert dies die Produktion mehrerer natürlicher Verbindungen. Viele Forscher haben sich mit genomischen Studien beschäftigt, die Antibiotika wie Erythromycin nutzen, um die Synthese zusammengesetzter Organismen zu erforschen. Durch solche Studien wurden entscheidende Gene, die an der Pathogenese beteiligt sind, aufgedeckt, die ihre Rollen bei der Substanzsynthese, dem metabolischen Abbau und den Wechselwirkungen mit dem Wirtsgewebe umreißen. Sich mit Bioinformatik Forschung bereichert das Repository von Informationsressourcen, indem sie potenziell neue Arzneimittelziele aufdeckt und zu Studien zur Antigenität beiträgt.

Abbildung 5. Resistom-Analyse des ersten nanosilberresistenten Bakteriums unter Verwendung bioinformatischer Werkzeuge zur Identifizierung und Bekämpfung antimikrobieller Resistenzen. (Saeb et al., 2018)

Im Allgemeinen sind Merkmale von Bioinformatik einschließlich der Suche (Datensammlung und -screening), Verarbeitung (Bearbeitung, Sortierung, Verwaltung und Präsentation) und Nutzung (Berechnung und Simulation) biologischer Daten. Forscher können ausgereifte bioinformatische Werkzeuge (spezialisierte Websites, Software) sowie statistische Methoden und die damit verbundenen Verfahren für viele Forschungsbereiche nutzen. Bioinformatik kann die Anforderungen an Gen-Ausrichtung, Gen-Erkennung und -Interpretation, Strukturvergleich, phylogenetische Analyse, Proteinstrukturvorhersage und mehr umfassend abdecken, was die Forschung in der Mikrobiotechnologie enorm erleichtert.

Referenzen:

1. Bansal A K. Bioinformatik in der mikrobiellen Biotechnologie – eine Mini-Überprüfung. Mikrobielle Zellfabriken, 2005, 4: 1-11.
2. Dahiya B P. Bioinformatik-Auswirkungen auf die Medizin, das mikrobielle Genom und die Landwirtschaft. Zeitschrift für Pharmacognosie und Phytochemie, 2017, 6(4): 1938-1942.
3. Hiraoka S, Yang C, Iwasaki W. Metagenomik und Bioinformatik in der Mikrobiologie: aktueller Stand und darüber hinaus. Mikroben und Umgebungen, 2016, 31(3): 204-212.
4. Kumar A, Chordia N. Rolle der Bioinformatik in der Biotechnologie. Res Rev Biosci, 2017, 12(1): 116.
5. Hiraoka S, Yang C, Iwasaki W. Metagenomik und Bioinformatik in der Mikrobiologie: aktueller Stand und darüber hinaus. Mikroben und Umgebungen, 2016, 31(3): 204-212.
6. Cheba B A. Rezension über Mikrobielle Bioinformatik: Neuartige und fördernde Trends in der Mikrobiomforschung und -anwendung // Internationale Konferenz Interdisziplinarität im Ingenieurwesen. Cham: Springer International Publishing, 2021: 718-729.
7. Saeb A T M. Aktuelle Bioinformatik-Ressourcen im Kampf gegen Infektionskrankheiten. Bioinformation, 2018, 14(1): 31.
8. Reller L B, Weinstein M P, Petti C A. Nachweis und Identifizierung von Mikroorganismen durch Genamplifikation und Sequenzierung. Klinische Infektionskrankheiten, 2007, 44(8): 1108-1114.
9. Fykse E M, Tjärnhage T, Humppi T, et al. Identifizierung von luftgetragenen Bakterien durch 16S rDNA-Sequenzierung, MALDI-TOF-MS und das MIDI-Mikrobenidentifikationssystem. Aerobiologie, 2015, 31: 271-281.
10. Zhang Y, Xu C, Xing G, et al. Bewertung der mikrobiellen Gemeinschaften von chinesischem Feng-Geschmack Daqu unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Umweltfaktoren mittels Rückverfolgbarkeitsanalyse. Wissenschaftliche Berichte, 2023, 13(1): 7657.
11. Allard M W, Strain E, Melka D, et al. Praktischer Wert der Rückverfolgbarkeit von Lebensmittelpathogenen durch den Aufbau eines Netzwerks und einer Datenbank für die gesamte Genomsequenzierung. Journal für klinische Mikrobiologie, 2016, 54(8): 1975-1983.
12. Ge X, Kitten T, Munro C L, et al. Pooled-Protein-Immunisierung zur Identifizierung von Zelloberflächenantigenen in Streptococcus sanguinis. PLoS One, 2010, 5(7): e11666.