Adgang til den mikrobiologiske sorte boks via DNA analyser

Transkript

1 Workshop Aarhus, 15. maj 2017 Adgang til den mikrobiologiske sorte boks via analyser Per Halkjær Nielsen CENTER FOR MICROBIAL COMMUNITIES INSTITUT FOR KEMI OG BIOVIDENSKAB AALBORG UNIVERSITET, DANMARK Mikroorganismer findes overalt Badevand Naturen Drikkevand Mikroorganismer Bioenergi Spildevand Rensning spildevand C ENTER FOR MICROBIAL C OMMUNITIES AALBORG UNIVERSITY 1

2 Nye teknologier revolutionerer mulighederne for at identificere mikroorganismer via deres X Identifikation med 16S rrna amplicon sequencing Koder f.eks. for et enzyme der nedbryder fedt. [..ATCG..] Gen (Bakterier har gener) Genom 16S rrna Amplicon sequencing 16S rrna Bruges som et fingeraftryk. Unikt for forskellige bakterier. 2

3 Identifikation med 16S rrna amplicon sequencing Prøvetagning Extraction Sample Prøve Extraktion prep Sekventering Bioinformatik forberedelse Microthrix C10_SB1A Tetrasphaera Dechloromonas B45 Trichococcus Rhodoferax P2CN44 Fodinibacter Propionicimonas Hyphomicrobium Simplicispira Gordonia Sphingopyxis Ferruginibacter flere Relativ hyppighed[%] Visualisering af bakterier med FISH (fluorescerende in situ hybridisering) Generel genprobe Rammer alle bakterier Specifik genprobe Rammer en art eller en bestemt gruppe Overlap af billeder 3

4 Det humane genom blev sekventeret i 1999 C ENTER FOR MICROBIAL C OMMUNITIES AALBORG UNIVERSITY Revolutionen i sekventering Pris pr. humant genom (USD) Det første humane genom færdigt -sekventeringsrevolutionen starter Det magiske 1000$ genom er en realitet C ENTER FOR MICROBIAL C OMMUNITIES AALBORG UNIVERSITY 4

5 State-of-the-art 2001 State-of-the-art 2016 State-of-the-art

6 Identifikation med 16S rrna amplicon sequencing Prøvetagning Extraction Sample Prøve Extraktion prep Sekventering Bioinformatik forberedelse Microthrix C10_SB1A Tetrasphaera Dechloromonas B45 Trichococcus Rhodoferax P2CN44 Fodinibacter Propionicimonas Hyphomicrobium Simplicispira Gordonia Sphingopyxis Ferruginibacter flere Relativ hyppighed[%] Identifikation med 16S rrna amplicon sequencing Prøvetagning Extraction Sample Prøve Extraktion prep Sekventering Bioinformatik forberedelse Bakteriearter Mesofil Heat map Relativ hyppighed % Renseanlæg 6

7 Sammenligning af bakteriesammensætning i forskelligerenseanlæg - Multivariat statistik Punkter tæt på hinanden = Ens bakteriesamfund Hvert punkt illustrerer en liste af arter Alle anlæg har en masse fælles bakterier, men er stadig unikke Hvert punkt illustrerer en liste af arter 7

8 Spildevandstype bestemmer bakteriesammensætningen Hvert punkt illustrerer en liste af arter Spildevand Industrianlæg ændringer i bakteriesammensætning

9 Industrianlæg ændringer i bakteriesammensætning B Ændring i belastning C A Ændring i belastning 2014 Industrianlæg ændringer i bakteriesammensætning Periode C 9

10 De hyppigste 25 arter i periode C giver adgang til identitet og meget mere: Identitet hurtigt, præcist og billigt Hyppighed af forskellige arter Forskelle fra anlæg til anlæg? Tidsserier stabilitet af samfund Effekt på den mikrobiologiske sammensætning ved større ændringer i driftsforhold Identifikation af mulige problem-voldere ved driftsforstyrrelser Identifikation af indikatororganismer fx ustabil/stabil drift, skumdannelse,. 10

11 Hvad laver bakterierne? Genomics og Metagenomics Hvad laver bakterier? - Genomics Isolering renkultur - genomics Levevis (Funktionelt potentiale / Blueprint) Genom 1 art Sekventering Identifikation af gener Samfund - Metagenomics Meta-genomics: Metagenom Sekventering Identifikation af gener Rekonstruktion af genomer Genomstykker Fra >1000 arter 11

12 Glucose) 2 Na + / Na+ / Energy)(ATP)) Reducing)equivalents) E.T.C.)electrons) Glucose) H 2) Malate) Energy)conserving) )[NiFe]$type)hydrogenase ) Acetoin) H 2) Hox$like)hydrogenase ) O 2 ) H+) H 2O) Gluconeogenesis) Fumarate) NO 2 -) Pyruvate) Acetyl-CoA) Oxaloacetate) TCA)cycle) aceb% Glucose-6-P) Acetyl-CoA) Glyoxylate) Glycolysis) Citrate) acea% Glycoxylate) shunt) Succinate) Succinyl-CoA) RespiraAon) H+) Electron)transport)chain) NH 3) N 2O) cta % nrfa% nosz% H+) H+) N 2) Glycogen)) storage) ldh% Lactate) Ethanol) eute*adh% Acetate) yfiq% FermentaAon) Isocitrate) 2-Oxoglutarate) ATPase ) Hvad laver bakterier? - Genomics Sekventering samling Genom ( bogstaver) Reads ( bogstaver hver) Genom ( bogstaver) Samfund - Metagenomics Meta-genomics: Metagenom Sekventering Identifikation af gener Rekonstruktion af genomer Genomstykker Fra >1000 arter Nye high-throughput funktionelle analyser Meta-genomics: Metagenom Sekventering In situ validering Økologi Manipulering Nye funktioner Genomer Metabolske modeller 12

13 Koncept til at studere mikrobiel økologi Identifikation surveys 16S rrna amplicon sekventering MiDAS Samle alle data Fysiologi Metagenomics Fysiologi/økologi In situ studier >230 Hyppige/ proces-kritiske bakterier 13

14 Fuldskala on-site overvågning og kontrol afspecifikke arter eller hele bakteriesamfund Prøvetagning Anlæg Data generering On-site prøveforberedelse og sekventering Bakteriel identifikation Cloud-baseret bioinformatisk håndtering Funktionel information Specifik database MiDAS Overvågning Beslutningregler Ændringer idrift Automatisk Alarm Mikrobiel sammensætning Alarm Tid Fremtiden: udvikling af et mobilt laboratorie Prøvetagning ekstraktion Prøveforberedelse Sample prep Sekventering Bioinformatics Mads Albertsen Peter Rendbæk 14

15 AALBORG UNIVERSITY Online Enhanced performance of environmental biotechnology systems through online surveillance of microbial communities Workshop Aarhus, 15. maj 2017 Spørgsmål? 15