Funktionelle Genomanalysen mittels Next-Generation Sequencing (NGS)

Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation

Next-Generation Sequencing (NGS) bezeichnet eine neuartige Technologie der Nukleinsäureanalytik. Im Gegensatz zu bisher bekannten Sequenzierungsverfahren können simultan mehrere hundert Millionen Fragmente in einer Probe sequenziert werden. Diese Hochdurchsatz- oder Parallelsequenzierungstechnologien haben gänzlich neue Dimensionen in der Nukleinsäureanalytik eröffnet und unzählige Forschungsfelder im Bereich der Life Sciences revolutioniert.

In unserer Arbeitsgruppe Functional Genomics nutzen wir die NGS-Technologie für ein breites Spektrum an Fragestellungen im wissenschaftlichen wie auch im anwendungsorientierten Bereich. Projekte umfassen beispielsweise die De-novo-Sequenzierung industriell oder medizinisch interessanter Bakterien- und Pilzstämme, Analysen der Transkriptionsprofile, Identifizierung relevanter Gene beispielsweise für die Früherkennung von Tumorerkrankungen und das Screening nach Biomarkern für die Diagnostik.

Besonders stolz sind wir darauf, in unserer Gruppe den kompletten Arbeitsablauf von der Probenvorbereitung über die Sequenzierung bis hin zur bioinformatischen Auswertung anbieten zu können.

Siehe auch unter Leistungsangebot:

NGS im Überblick

Am Fraunhofer IGB haben wir einen dreistufigen Arbeitsprozess etabliert, der die Schritte der Probenaufbereitung und der Sequenzierung im Labor wie auch die abschließende, bioinformatische Analyse abdeckt.

Probenaufbereitung

Um Next-Generation Sequencing (NGS) nutzen zu können, bedarf es zunächst einer an das Ausgangsmaterial und an die Fragestellung angepassten Probenaufbereitung. So wird beispielsweise für De-novo-Genomsequenzierungen unbekannter Organismen genomische DNA präpariert, während bei Transkriptomanalysen unterschiedliche RNA-Populationen (mRNA, smallRNA, ncRNA) untersucht werden. Einige der Probenaufbereitungsprotokolle werden mit dem Pipettierroboter Biomek FX (Beckman Coulter) am Fraunhofer IGB vollautomatisch umgesetzt.


Sequenzierung 

In Abhängigkeit des Anwendungsbereichs bestimmt die Wahl der Sequenziermethode die Lesetiefe und Fragmentlänge jeder einzelnen Sequenzierung. Dabei können mittels Illumina HiSeq2500 aus einer (c)DNA-Bibliothek Sequenzierungsdaten mit hoher Lesetiefe bei kürzeren Fragmenten (bis zu 2 x 250 Basen), oder alternativ bis zu 700 Basen lange Fragmente bei geringerer Lesetiefe durch die Roche-GSjunior-Technologie erhalten werden.


Bioinformatik

Mithilfe einer leistungsstarken und für NGS optimierten IT-Infrastruktur am IGB können die sequenzierten Rohdaten schließlich für verschiedenste Anwendungen, wie Genexpressionsanalysen, Genomassemblies inklusive Annotation oder Metagenomanalysen, bioinformatisch ausgewertet werden. Darüber hinaus haben wir den Genom-Browser GeneScapes Viewer entwickelt, mit dem wir Sequenzdaten visualisieren können.

Infektionsdiagnostik der nächsten Generation

Die Diagnostik von Infektionskrankheiten beruht überwiegend auf der Kultivierung von Krankheitserregern im Labor. Dies ist nicht nur zeitaufwändig. Einige Erreger lassen sich unter Laborbedingungen nicht oder nur schwer kultivieren.

Wir wenden unser innovatives molekulares Verfahren zur Erregerdiagnostik durch Analysen der Erbinformation daher auch zur Identifizierung von Pathogenen an.

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Referenzprojekte

Ribolution – Nicht-kodierende RNAs als Biomarker

Biomarker für COPD und Prostatakrebs basierend auf der Molekülklasse der nicht-(Protein)-kodierenden Ribonukleinsäuren (ncRNAs) identifizieren wir innerhalb des von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung geförderten Projekts »Ribolution«.

GOBi – Charakterisierung von Mikroorganismen-Populationen in der Biogasproduktion

Im BMBF-geförderten Projekt »GOBI« nutzen wir Metagenom- und Metatranskriptomanalysen zur Charakterisierung der mikrobiellen Zusammensetzung in Silagen und Biogas-Fermentern. Diese Daten sollen dabei helfen, die Prozesse der Biogasproduktion durch eine gezielte Zusammensetzung der Mikroorganismen-Population zu optimieren.

ERA-HyPerIn – Identifizierung neuer Enzyme

Ein integrierter Ansatz zur Identifizierung neuer Enzyme der P450-Familie zur gezielten Umsetzung von Feinchemikalien für industrielle Prozesse steht im Fokus des im ERA-Net-Programm geförderten Verbundprojekts HyPerIn. Die Gruppe Functional Genomics trägt mit der De-novo-Sequenzierung, der funktionellen Annotierung der Genome sowie durch die Identifizierung aktiver Gene mittels Genexpressionsanalysen in nicht-charakterisierten Bakterien und Pilzen zu diesem Projekt bei.