Fachagentur Nachwachsende RohstoffeEin Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Charakterisierung des genetischen und enzymatischen Potentials von Biogas-Mikrobiomen mittels Metaanalyse von Metagenomdatensätzen; Teilvorhaben 2: Phylogenetische und funktionelle Mikrobiom-Metaanalytik - Akronym: GeneMining

Anschrift
Universität Bielefeld - Centrum für Biotechnologie (CeBiTec)
Universitätsstr. 27
33615 Bielefeld
Projektleitung
Prof. Dr. Alfred Pühler
Tel: +49 521 106-8750
E-Mail schreiben
FKZ
22031918
Anfang
01.08.2019
Ende
28.02.2023
Ergebnisverwendung
Die Genome von Schlüsselorganismen aus Biogas-Mikrobiomen wurden untersucht, um ihr genetisches Potenzial zu verstehen und mit physiologischen Ergebnissen in Verbindung zu bringen. Drei repräsentative Isolate wurden sequenziert und analysiert: Petrimonas mucosa, ein Pektin abbauendes Bakterium, Anaeropeptidivorans aminofermentans, ein Protein-abbauendes und Aminosäuren fermentierendes Bakterium, und Methanothermobacter wolfeii, ein hydrogenotrophes methanogenes Archaeon. Des Weiteren wurden auch Anpassungen von Mikrobiomen an höhere Ammonium-/Ammoniakgehalte durch Genom- zentrierte Metagenom- und Metatranskriptom-Analysen untersucht. Ein integrativer Omics-Ansatz half dabei, neue leistungsfähige Spezies zu identifizieren. Eine Voraussetzung für die oben beschriebenen Analysen war die Entwicklung von Strategien zur Verarbeitung von öffentlich zugänglichen Metagenom-Datensätzen für Biogas-Mikrobiome. Es wurde ein modularer Workflow namens Metagenomics-Toolkit implementiert. Mit Hilfe dieses Workflows konnten insgesamt 2203 MAGs hoher MIMAG Qualität und 5018 MAGs mittlerer MIMAG Qualität rekonstruiert werden. Gebildete MAGs lassen sich in den meisten Fällen den Phyla Bacillota, Bacteroidota, Halobacteriota und Methanobacteriota zuordnen. Weitere wichtige identifizierte Phyla des Core-Mikrobioms sind Synergistota, Spirochaetota und Actinobacteriota. Zahlreiche rekonstruierte MAGs ließen sich nicht bereits bekannten Spezies zuordnen und repräsentieren daher neue taxonomische Einheiten. Die Interpretation von Ergebnissen aus Meta-Metaanalysen wurde aufgrund von inkonsistent abgelegten Metadaten erschwert. Mikrobiom-Signaturen konnten daher nur ansatzweise durch Auswertung der zugehörigen Metadaten erklärt werden. Es ergaben sich aber Hinweise auf Mikrobiom-Kandidaten, die Stresssituationen im Biogas-Prozess indizieren.
Aufgabenbeschreibung
Am anaeroben Abbau von Biomasse ist eine Vielzahl von Mikroorganismen-Arten mit unterschiedlichsten Stoffwechseleigenschaften beteiligt. Ein Großteil der in Biogasreaktoren nachweisbaren Arten ist aber bislang weder hinsichtlich ihrer speziellen Stoffumwandlungseigenschaften noch ihrer jeweiligen ökologischen Rolle im System ausreichend charakterisiert. Entsprechend ist das in Biogasreaktoren für den Abbau der pflanzlichen Biomasse verantwortliche trophische Netzwerk auch nur ansatzweise und nur hinsichtlich grundlegender mikrobieller Prozesse verstanden. Ziel des Vorhabens war die Nutzung von Metagenom-Sequenzdaten für eine detaillierte Analyse mikrobieller Netzwerke mittels einer umfassenden bioinformatischen Auswertung (Metaanalyse) unter Einbeziehung abiotischer Prozessfaktoren. Zunächst sollten hierzu Bioinformatik Hochdurchsatz Workflows für Mikrobiom-Datenauswertungen entwickelt werden. Ein weiteres Ziel war die Nutzbarmachung einer vorhandenen Cloud-Computing Infrastruktur für anstehende Rechenoperationen. Entwickelte Bioinformatik-Lösungen und Konzepte sollten dann für die vergleichende Analyse von Metagenomdatensätzen für Biogas-Mikrobiome eingesetzt werden. Die Identifizierung des Core-Mikrobioms von Biogas-Gemeinschaften, Bestimmung einzigartiger Taxa für spezifische Gemeinschaften und die Aufdeckung von Beziehungen zwischen taxonomischen Einheiten durch Co-Occurrence Analysen wurden angestrebt. Assemblierung von Metagenom-Sequenzdaten und Binning assemblierter kontinuierlicher Sequenzabschnitte zu Genomen (MAGs) ermöglicht dabei die funktionelle Interpretation der bislang nicht kultivierbaren Fraktion der Biogas-Mikrobiome. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse zur Identifizierung und Charakterisierung bislang nicht erkannter Schlüsselorganismen für den Biogasprozess führen. Die Verwertung und Anwendung von Erkenntnissen aus Mikrobiom-Analysen für innovative Biomasse-Konversionsprozesse und Ansätze in Bezug auf Monitoring und Management wird angestrebt.

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