Umfassenden Metabolomikdaten auf molekulare Erkenntnisse übertragen
Die Metabolomik vervollständigt die Genomik, Transkriptomik und Proteomik durch die Bereitstellung von Informationen über biochemische Prozesse und durch die Enthüllung des Beitrags nicht genetisch bedingter Faktoren wie z. B. Umwelt, Ernährung oder Mikrobiom. Im Hinblick auf die räumliche Metabolomik besteht die Herausforderung darin, Hunderte Metaboliten mit zellularer und subzellularer Auflösung ausfindig zu machen. Eine quelloffene Bioinformatik-Engine Neue technologische Fortschritte in der hochauflösenden Massenspektrometrie haben die Abbildung von Metaboliten in Abschnitten mit biologischem Gewebe ermöglicht. Der Mangel an Bioinformatikmethoden für die molekulare Interpretation von räumlichen Metabolomikdaten ist jedoch ein großer Engpass. Um dies anzugehen, entwickelten die Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts METASPACE (Bioinformatics for spatial metabolomics) eine Plattform, die der Online-Gemeinschaft offen steht und Bioinformatik-Werkzeuge in validierte Arbeitsabläufe für die klinische Anwendung integriert. „Unser oberstes Ziel war die Schaffung eines Forschungs-Ökosystems zur Nutzung räumlicher Metabolomikdaten, die für Akademie und Industrie von Vorteil sind“, erklärt Projektkoordinator Dr. Theodore Alexandrov. Im Zuge von METASPACE wurden Algorithmen für die Kennzeichnung Hunderter mutmaßlicher Metaboliten mit hohem Durchsatz entwickelt, darunter ein neues Bewertungssystem, um quantifizieren zu können, ob sich ein Metabolit in Zellen eines Gewebeabschnitts befindet. Es können zum Beispiel Onkometaboliten in einem Tumorabschnitt oder Medikamente, die der Nierenrinde zugeführt und dort verstoffwechselt werden, gefunden werden. Diese Algorithmen wurden als Cloud-Software mit einer benutzerfreundlichen Schnittstelle implementiert. Das wissenschaftliche Team bezog die Wissenschaftsgemeinde in Europa und im Rest der Welt mit ein, die im Rahmen der größten Maßnahme für die gemeinsame Datenbenutzung auf dem Gebiet der räumlichen Metabolomik mehr als 3 000 öffentliche Datensätze zur Verfügung stellte. Das METASPACE-Team evaluierte die Engine im Zuge einer klinischen Fallstudie zu Speiseröhrenkrebs sowie während der Entwicklung von Arzneimittelanwendungen für die pharmazeutische Forschung und Entwicklung. Die Verwendung von Cloud-Technologien ermöglichte die Verarbeitung von mehr als 50 TB an Rohdaten. Die Zukunft von METASPACE METASPACE wird bereits von mehr als 200 Wissenschaftlern aus weltweit mehr als 70 Laboren genutzt. Auf dem Twitter-Account des Projekts werden aktiv Neuigkeiten verbreitet und eine Gemeinschaft mit mehr als 400 Followern miteinbezogen. Dr. Alexandrov gesteht, dass „dieses Projekt meine Sicht auf die moderne Wissenschaft und deren Wirkung verändert hat. Es war überaus inspirierend, mitanzusehen, wie die Wissenschaftsgemeinde sich auf den gemeinsamen Datenaustausch verständigt und somit eine große öffentliche Wissensbasis für das räumliche Metabolom schafft.“ Gemeinsam legen die Informationen über die erkannten Metaboliten in Gewebeabschnitten von Tiermodellen und klinischen menschlichen Proben den Grundstein für weiterführende Forschung auf dem Gebiet der räumlichen Metabolomik und für die Adressierung wichtiger biomedizinischer Fragen. Der zunehmende Bedarf an der Kennzeichnung von Metaboliten verdeutlicht die Auswirkungen des Projekts, insbesondere im Hinblick auf das mit Erkrankungen assoziierte Metabolom. Die Plattform befähigt Biologen oder klinische Fachkräfte ohne Erfahrung im Bereich der Massenspektrometrie oder Bioinformatik zur Übertragung komplexer Daten in molekulare Erkenntnisse. METASPACE war von Beginn an als quelloffenes Projekt mit freiem Zugang ausgelegt. Das Ziel war die Stimulierung einer nachhaltigen Entwicklung in diesem Gebiet mit einer Plattform, in die zukünftige Algorithmen, Software und Dienste eingebunden werden können. Maßnahmen im Bereich der Kontaktaufnahme führten zur Zusammenarbeit mit dem durch ein Consolidator Grant des EFR finanzierten Projekt METACELL, bei dem die METASPACE-Plattform für die Detektion zellularer Metaboliten verwendet wird. Die Engine wird zudem als Prüfstand in dem europäischen IKT-Projekt CloudButton für die Entwicklung neuartiger Cloud-Technologien eingesetzt. Aus industrieller Sicht bietet die METASPACE-Plattform immenses Potenzial für die Einbindung in die Arbeitsabläufe der Wirkstoffentdeckung und -prüfung großer Arzneimittelunternehmen. Mit Blick auf die Zukunft ist Dr. Alexandrov zuversichtlich, dass „METASPACE zukünftige biomedizinische Entdeckungen vereinfachen, effiziente Therapien unterstützen und Innovationen beflügeln wird, und somit neue Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten in Europa geschaffen werden.“
Schlüsselbegriffe
METASPACE, Metabolit, Bioinformatik, Plattform, räumliche Metabolomik, Cloud, offene Wissenschaft
