Deciphering bacterial pathogen genomics: Implementation and application of a bioinformatics framework for nanopore sequencing
bearbeitet am Institut für bakterielle Infektionen und Zoonosen und der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Zoonotische hochpathogene Bakterien wie Bacillus anthracis, Brucella spp. und Francisella tularensis stellen nach wie vor eine ernste Bedrohung für die Tier- und Menschengesundheit dar. Die Illumina-Sequenzierung ist die technische Basis für die genomische Überwachung in der modernen Epidemiologie. Die Sequenzierung mittels Oxford Nanopore Technologies (ONT)-Sequenzierung ermöglicht einen günstigen Einstieg und erzeugt lange DNA-Sequenzstücke (long reads), die komplexe Genomstrukturen wie Plasmide und strukturelle Varianten besser auflösen als die short read Daten von Illumina. Dennoch bestanden bislang offene Fragen zur Genauigkeit und Anwendbarkeit ONT-basierter Workflows. Ziel dieser Dissertation war die umfassende Evaluierung von ONT-Sequenzierungsdaten für die Genomrekonstruktion, die hochauflösende Genotypisierung sowie die molekulare Charakterisierung bakterieller Krankheitserreger. Als praktisches Ergebnis wurde die modulare Snakemake-Pipeline BONT (Bacterial ONT pipeline) implementiert.
Zunächst wurden Methoden zur Genomrekonstruktion anhand von 20 zoonotischen Bakterienspezies systematisch verglichen. Neben der Evaluierung bioinformatischer Algorithmen stand die Identifikation ONT-spezifischer Fehlerquellen im Fokus. Dabei wurden Homopolymere (25 % der Fehler), GC-reiche Regionen (6,2 %) sowie DNA-Methylierungen (6,5 %) als zentrale Faktoren identifiziert (Thomas et al., 2025). Im zweiten Teil wurde die Leistungsfähigkeit der ONT-Sequenzierung für die hochauflösende Genotypisierung anhand von cgMLST- und SNP-basierten Verfahren untersucht. Es zeigte sich, dass ONT-basierte Workflows Ausbruchscluster zuverlässig rekonstruieren (Thomas et al., 2026). Für Salmonella enterica konnte in einem dritten Arbeitspaket gezeigt werden, dass die bioinformatische Serovar-Vorhersage auf Basis von ONT-Daten in hoher Übereinstimmung mit der klassischen Objektträger-Agglutination steht (Thomas et al., 2023). Zuletzt illustriert eine Fallstudie zu Streptococcus (Str.) uberis Ausbrüchen in Thüringen den praktischen Mehrwert: Aus 84 Isolaten von boviner Mastitis wurde ein Plasmid (p22CS0210) vollständig rekonstruiert, das zwei Antibiotikaresistenzgene trägt (Thomas et al., 2024). Dieses Plasmid konnte mittels Illumina-Daten nicht vollständig aufgelöst werden.
Illustration: Übersicht der Methoden.
Die Arbeit unterstreicht das große Potenzial der ONT-Sequenzierung als flexible, preisgünstige Plattform für die genomische Epidemiologie. Sie macht zugleich deutlich, dass die kontinuierliche Weiterentwicklung von Basecalling-Modellen und bioinformatischen Werkzeugen eine regelmäßige Validierung erfordert, insbesondere für seltene oder biosicherheitsrelevante Erreger, die in den Trainingsdatensätzen der Hersteller unterrepräsentiert sind.
Ich möchte mich herzlich bei Jörg Linde, Manja Marz sowie allen Kolleg:innen am FLI bedanken, die diese Arbeit möglich gemacht haben. Mein besonderer Dank gilt den Mitgliedern des Fördervereins des Friedrich-Loeffler-Institutes für die Auszeichnung meiner Dissertation.