Welt der Viren neu geordnet

Forschende des Exzellenzclusters „Balance of the Microverse“ der Friedrich-Schiller-Universität Jena und ihre internationalen Partner haben ein neues Werkzeug entwickelt, das die genetische Analyse von Viren erheblich vereinfacht und beschleunigt. Die Methode namens Vclust kann Millionen viraler Genome innerhalb weniger Stunden analysieren und präzise nach Ähnlichkeit gruppieren – eine bisher unerreichte Leistung in der Viromforschung.

Die moderne Mikrobiologie steht vor einer Datenflut: Mit Hilfe von Umweltproben (Metagenomik) werden jedes Jahr Millionen viraler Genome und Genomfragmente entdeckt. Diese Daten bestehen aus langen Sequenzen von A-, C-, G- und T-Nukleotiden, und es kann schwierig sein zu erkennen, ob eine Abfolge von Bausteinen bekannt oder ob sie völlig neu ist. Doch bislang fehlten leistungsfähige Werkzeuge, um diese Sequenzen zuverlässig zu vergleichen und zu klassifizieren.

„Ohne schnelle und genaue Vergleichsmethoden nimmt man schnell an, dass jede Sequenz, die man findet, ein völlig neues Virus darstellt“, erklärt Prof. Bas Dutilh, Forschungsgruppenleiter und "Microverse"-Professor. „Mit Vclust geben wir den Forschenden endlich ein Werkzeug an die Hand, mit dem sie herausfinden können, ob ihre Viren schon einmal da waren.“

Vclust kombiniert drei aufeinander abgestimmte Komponenten, um die Analyse großer Datenmengen effizient zu ermöglichen. Zunächst erkennt die Software mit dem Modul Kmer-db 2 blitzschnell ähnliche Genome anhand kurzer DNA-Sequenzen. Im nächsten Schritt berechnet ein eigens entwickelter Algorithmus namens LZ-ANI präzise die genetische Übereinstimmung zwischen den Genomen – selbst dann, wenn es sich nur um Bruchstücke handelt. Abschließend sortiert das Clustering-Tool Clusty die Genome automatisch in sinnvolle Gruppen, wobei es sich an international anerkannten Standards zur Virusklassifikation orientiert.

Im Vergleich zu bisherigen Werkzeugen arbeitet Vclust nicht nur deutlich schneller, sondern auch zuverlässiger – selbst bei stark fragmentierten Erbgutstücken aus Umweltproben. Der neue Algorithmus liefert Ergebnisse, die sehr gut mit der offiziellen Virusklassifikation der International Committee on Taxonomy of Viruses übereinstimmen.

Praxisrelevanz und Verfügbarkeit

Vclust kann in Zukunft eine zentrale Rolle bei der Katalogisierung neuer Viren, dem Verständnis ihrer Evolution und potenziellen Anwendungen in Medizin und Biotechnologie spielen – von der Virusdiagnostik bis hin zur gezielten Bekämpfung pathogener Keime durch Viren.

Die Software ist zudem frei verfügbar als Open SourceExterner Link und kann über einen WebserviceExterner Link auch ohne eigene Recheninfrastruktur genutzt werden.

Über das Projekt

Das Projekt ist eine Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen in Polen, Deutschland und den Niederlanden. Neben der Förderung durch die Europäische Union wurde die Arbeit auch durch den Exzellenzcluster „Balance of the Microverse“Externer Link der Friedrich-Schiller-Universität Jena ermöglicht.