Addressing microbial threats through genomics, metagenomics, and bioinformatics

Abstract

Bacteria evolved for millions of years with pathogens plaguing humankind throughout all of its history. By comparison, the scientific community could only prove that individual bacterial pathogens cause infectious diseases around 200 years ago. With the market release of the first antibiotics, effective treatment against a wide range of bacterial infections was accessible. Unfortunately, antibacterial-resistant pathogens emerged, capable of surviving existing antibiotic treatments initiating a high-stakes arms race between pathogens and the scientific community. The rapid dissipation of antibiotic resistances and the slow innovation cycle in antibiotic research, made researchers, governments, and health associations voice their concerns on the sustainability of antibiotic treatments. With an estimated 5 million deaths associated with antimicrobial resistance in 2019, projections predict up to 10 million deaths in 2050. The advent of next-generation sequencing and the developments in the field of metagenomics propagated the interest in microbial communities from ecology into clinical microbiology. While moving away from 16S amplicon sequencing to complete metagenome shotgun sequencing and now to long-read sequencing, our understanding of the role of the human microbiome is constantly improving. More and more community compositions of different body environments keep being associated with diseases. However, our causal understanding of the human-microbiome interactions is likely still in its infancy as the microbiome displays an enormous diversity of molecules. Among these, metabolites, especially those encoded by biosynthetic gene clusters, have been highlighted as potential avenues to uncover new antimicrobial compounds. Within this doctoral thesis, we present a total of ten research projects that fight against the bacterial threat distinguishing three actionable pillars. The first pillar focuses on the support of ongoing applied studies in the field of clinical microbiology. In this research context, we study antimicrobial-resistant pathogens, new emerging pathogens as well as two dietary interventions. Within resistant clinical isolates, we were able to identify resistance gene-carrying plasmids. The dietary interventions we assessed did not yield any differentially abundant species after dietary interventions. However we did see significant differences comparing e.g. baseline Parkinson’s disease to control patients. The second pillar aims to achieve our research network’s long-term goals in the area of natural compound research through data analysis of metagenomic sequencing data. In two projects, across several host species, disease cohorts, and biospecimens we search for potentially disease-implicated or protective natural products. We achieve this by genome mining for relevant biosynthetic gene clusters through large amounts of metagenomic assembled short-read sequencing data derived from over two thousand samples. Lastly, the third pillar enables of other researchers in the field of microbiology through the development and maintenance of accessible online web services and databases. In this context, we updated a pop- ular natural plasmid database as well as the only online metagenomic binning web service. Further, we developed a new online web service for short-read metagenomic sequencing data, while successfully ad- dressing the challenges of large data transmission. In conclusion, the herein presented works contributed several applied research studies in the field of clinical microbiology enabled other researchers in the same research area, and potentially lay the groundwork for the discovery of new clinically relevant natural products.

Bakterien evolvieren seit Millionen von Jahren, wobei einige Pathogene die Menschheit schon immer plagten. Erst vor etwa 200 Jahren gelang es jedoch zu zeigen, dass Bakterien tatsächlich für die Entstehung von Infektionskrankheiten verantwortlich sind. Mit der späteren Vermarktung erster Antibiotika wurde eine effektive Behandlung gegen eine Vielzahl von Bakterien möglich. Nach dieser Erfolgsgeschichte wurden jedoch leider resistente Pathogene festgestellt, die eine Behandlung mit bekannten Antibiotika überlebten. Somit begann ein Wettlauf zwischen Bakterien und der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Die schnelle Verbreitung von antibakteriellen Resistenzen und die langsame Entwicklung neuer Antibiotika führen zu Zweifeln in Forschungspolitik und Gesundheitsorganisationen, ob nachhaltige Antibiotikaforschung noch möglich ist. Mit geschätzten 5 Millionen Toten im Jahr 2019, die mit Antibiotikaresistenzen in Verbindung gebracht wurden, liegen mögliche Vorhersagen für 2050 bei bis zu 10 Millionen. Die Erfindung der Sequenzierung der nächsten Generation und der Metagenomik hat das Interesse an mikrobiellen Gemeinschaften über die Grenzen der Ökologie hinweg bis in die klinische Mikrobiologie erweitert. Durch den Übergang von der 16S-Amplikon-Sequenzierung zur Metagenom-Shotgun-Sequenzierung und schließlich zur Long- Read-Sequenzierung verbessert sich unser Verständnis des menschlichen Mikrobioms stetig. Somit werden immer mehr Assoziationen zwischen Mikrobiomen und Krankheiten hergestellt. Unser Verständnis über die Kausalität dieser Zusammenhänge steckt jedoch wahrscheinlich noch in den Kinderschuhen, da die Diversität der von den Mitgliedern des Mikrobioms ausgeschiedenen Moleküle enorm ist. Besonders jene Metabolite, deren Kodierung in Biosyntheseclustern liegt, gelten auch als potenzielle Kandidaten neuer antimikrobieller Wirkstoffe. Im Rahmen dieser Doktorarbeit präsentieren wir zehn Forschungsprojekte, die sich auf drei Kernpunkte im Kampf gegen bakterielle Pathogene konzentrieren. Der erste Punkt betrifft die Unterstützung laufender angewandter Studien der klinischen Mikrobiologie. In diesem Kontext untersuchen wir antimikrobiell resistente Krankheitserreger, neu auftretende Erreger sowie zwei Diätinterventionen. Bei den resistenten klinischen Isolaten konnten wir Resistenzgene in Plasmiden identifizieren. Während wir keine unterschiedlich abundanten Spezies in den Interventionen beobachten konnten, sahen wir signifikante Unterschiede im Vergleich zwischen z. B. Parkinson-Patienten und Kontrollpatienten. Der zweite Punkt bemüht sich um das Erreichen der langfristigen Ziele unseres Forschungsnetzwerks auf dem Gebiet der Erforschung von Naturstoffen mittels metagenomischer Sequenzierungsdaten. In zwei Projekten suchen wir über mehrere Wirtsspezies, Krankheitskohorten und Bioproben hinweg nach krankheitsauslösenden oder vorbeugenden Naturstoffen. Dieses Ziel erreichen wir durch gezielte Suche nach relevanten biosynthetischen Genclustern in großen Mengen metagenomisch assemblierter Short-Read-Sequenzierungsdaten von über zweitausend Proben. Zuletzt unterstützen wir andereWissenschaftler im Feld der Mikrobiologie durch Entwicklung und Instandhaltung von Online-Webdiensten und Datenbanken. In diesem Zusammenhang haben wir eine Datenbank für natürlich vorkommende Plasmide und ein metagenomisches Binning-Tool aktualisiert. Außerdem haben wir einen neuen Online- Webdienst für Short-Read-Metagenom-Sequenzierungsdaten entwickelt und dabei erfolgreich die Herausforderungen der Übertragung großer Datenmengen bewältigt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier vorgestellten Arbeiten zu mehreren angewandten Forschungsstudien im Bereich der klinischen Mikrobiologie beigetragen haben, Kollegen im selben Forschungsbereich unterstützt haben und hoffentlich zur Entdeckung neuer relevanter Naturstoffe beigetragen haben.