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Taxonomic analysis – VL05Taonomic analysis of microbial communities
Taxonomische Analyse von mikrobiellen Gemeinschaften befasst sich mit der Identifizierung
und Klassifizierung der verschiedenen Mikroorganismen, die in einer bestimmten
Umweltprobe vorhanden sind. Diese Analyse beinhaltet die Bestimmung der taxonomischen
Zugehörigkeit der Organismen auf verschiedenen Ebenen, wie z.B. Arten, Gattungen oder
Familien, basierend auf genetischen Markersequenzen wie der 16S rRNA (für Bakterien) oder
der 18S rRNA (für Eukaryoten). Durch die taxonomische Analyse können Forscher die
Artenvielfalt und -zusammensetzung in einer mikrobiellen Gemeinschaft verstehen und
Vergleiche zwischen verschiedenen Proben durchführen, um Unterschiede in der
Gemeinschaftszusammensetzung zu identifizieren.
Phylogenetic informative genes (marker genes)
Marker-Gene sind DNA-Sequenzen, die eine bestimmte Funktion ausüben und in allen
Mitgliedern einer taxonomischen Gruppe vorhanden sind. Typischerweise handelt es sich
dabei um strukturelle RNA- oder Proteinsequenzen, die als Identifikationsmerkmale für
bestimmte taxonomische Gruppen dienen. Marker-Gene werden häufig in der mikrobiellen
Taxonomie und Phylogenie verwendet, um die Verwandtschaftsbeziehungen zwischen
verschiedenen Organismen zu untersuchen und die Evolution und Diversität von
Lebensformen zu studieren.
Beispiel:
Ein Beispiel für ein Marker-Gen sind die mcrA-Gene, die teilweise für das Enzym Methyl-
Coenzym M-Reduktase kodieren, das an der letzten Stufe der Methanogenese beteiligt ist.
Diese Gene sind bei methanogenen Archaeen weit verbreitet und dienen als wichtige Marker
für die Identifizierung und Charakterisierung dieser Organismen. Die konservierten und
variablen Abschnitte der mcrA-Sequenz ermöglichen die Entwicklung von PCR-Primern, die
spezifisch für diese Gruppe von Organismen sind, und erleichtern so ihre taxonomische
Identifizierung in Umweltproben.
Beispiel:
Ein klassisches Beispiel für ein Marker-Gen ist das 16S rRNA-Gen, das in allen
prokaryotischen Organismen vorkommt. Die 16S rRNA (oder 18S rRNA bei Eukaryoten) ist
eine Komponente der kleinen Untereinheit der ribosomalen RNA und spielt eine wichtige
Rolle bei der Translation von mRNA zu Proteinen. Aufgrund seiner evolutionären
Konservierung und variablen Regionen wird das 16S rRNA-Gen oft zur taxonomischen
Identifizierung und phylogenetischen Analyse von Bakterien und Archaeen verwendet. Die
Unterschiede in den 16S rRNA-Sequenzen zwischen verschiedenen Organismen ermöglichen
es Forschern, die phylogenetischen Beziehungen zwischen ihnen zu untersuchen und die
Vielfalt und Struktur mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Umweltproben zu
charakterisieren.
Taxonomisch informative Marker-Gene sind DNA-Sequenzen, die für die Identifizierung und
Klassifizierung von Organismen auf taxonomischer Ebene verwendet werden können. Hier
sind einige Beispiele:
, - 16S rRNA-Gen: Dieses Gen kommt in prokaryotischen Organismen vor, einschließlich
Bakterien und Archaeen. Es ist besonders nützlich für die taxonomische Identifizierung von
Bakterien aufgrund seiner evolutionären Konservierung und variablen Regionen.
- 18S rRNA-Gen: Dieses Gen ist in eukaryotischen Organismen zu finden, einschließlich
Protozoen. Es wird häufig verwendet, um die taxonomische Vielfalt von Eukaryoten zu
untersuchen und phylogenetische Beziehungen zwischen verschiedenen Gruppen zu
analysieren.
- ITS (Internal Transcribed Spacer): Diese Region liegt zwischen den rRNA-Genen in den
Genomsequenzen von Pilzen vor. ITS wird für die taxonomische Identifizierung und
Phylogenie von Pilzen verwendet und ist aufgrund seiner variablen Sequenzregionen ein
nützlicher Marker für die Unterscheidung zwischen verschiedenen Pilzarten.
Diese Marker-Gene ermöglichen es Forschern, die Vielfalt und Zusammensetzung von
Mikroben in verschiedenen Umgebungen zu charakterisieren und phylogenetische
Beziehungen zwischen verschiedenen Organismen zu untersuchen.
Processing amplicon reads
Die Verarbeitung von Amplicon-Lesungen beinhaltet mehrere Schritte, und es ist wichtig, sich
mit möglichen Herausforderungen auseinanderzusetzen. Hier sind zwei wichtige Punkte:
- Chimäre Lesungen: Während des PCR-Schritts können chimäre Lesungen entstehen, die
eine Kombination verschiedener DNA-Fragmente darstellen. Diese Chimären können zu
falschen Interpretationen in der taxonomischen Analyse führen. Daher ist es entscheidend,
diese chimären Lesungen zu erkennen und vor weiteren Analysen zu entfernen. Dies kann
durch spezielle Software oder Algorithmen erfolgen, die auf der Identifikation von
Inkonsistenzen in den Sequenzdaten basieren.
- Qualitätskontrolle und Filterung: Um die Zuverlässigkeit der Daten sicherzustellen, ist eine
gründliche Qualitätskontrolle erforderlich. Dies beinhaltet die Entfernung von Lesungen mit
niedriger Qualität, kurzen Längen oder anderen Qualitätsproblemen. Die Filterung trägt dazu
bei, sicherzustellen, dass nur hochwertige und zuverlässige Sequenzen in die anschließende
Analyse einfließen.
Die genaue Verarbeitung hängt von den spezifischen Anforderungen der Analyse und den
verwendeten Sequenzierungstechnologien ab. Insgesamt zielt die Amplicon-Verarbeitung
darauf ab, rauschfreie und qualitativ hochwertige Daten für die anschließende taxonomische
Analyse zu gewährleisten.
OTUs/ ASVs
OTUs
OTU steht für "Operationelle Taxonomische Einheit". Es handelt sich um eine Gruppe von
Sequenzen, die aufgrund ihrer genetischen Ähnlichkeit zu einer bestimmten prozentualen
Schwelle zusammengefasst werden. OTUs werden häufig in der Analyse von mikrobiellen
Gemeinschaften verwendet, um die Vielfalt und Zusammensetzung der Organismen in einer
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