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The human microbiome has become an area of intense research due to its potential impact on human health. However, the analysis and interpretation of this data have proven to be challenging due to its complexity and high dimensionality. Machine learning (ML) algorithms can process vast amounts of data to uncover informative patterns and relationships within the data, even with limited prior knowledge. Therefore, there has been a rapid growth in the development of software specifically designed for the analysis and interpretation of microbiome data using ML techniques. These software incorporate a wide range of ML algorithms for clustering, classification, regression, or feature selection, to identify microbial patterns and relationships within the data and generate predictive models. This rapid development with a constant need for new developments and integration of new features require efforts into compile, catalog and classify these tools to create infrastructures and services with easy, transparent, and trustable standards. Here we review the state-of-the-art for ML tools applied in human microbiome studies, performed as part of the COST Action ML4Microbiome activities. This scoping review focuses on ML based software and framework resources currently available for the analysis of microbiome data in humans. The aim is to support microbiologists and biomedical scientists to go deeper into specialized resources that integrate ML techniques and facilitate future benchmarking to create standards for the analysis of microbiome data. The software resources are organized based on the type of analysis they were developed for and the ML techniques they implement. A description of each software with examples of usage is provided including comments about pitfalls and lacks in the usage of software based on ML methods in relation to microbiome data that need to be considered by developers and users. This review represents an extensive compilation to date, offering valuable insights and guidance for researchers interested in leveraging ML approaches for microbiome analysis.
Tardigrades are multicellular organisms, resistant to extreme environmental changes such as heat, drought, radiation and freezing. They outlast these conditions in an inactive form (tun) to escape damage to cellular structures and cell death. Tardigrades are apparently able to prevent or repair such damage and are therefore a crucial model organism for stress tolerance. Cultures of the tardigrade Milnesium tardigradum were dehydrated by removing the surrounding water to induce tun formation. During this process and the subsequent rehydration, metabolites were measured in a time series by GC-MS. Additionally expressed sequence tags are available, especially libraries generated from the active and inactive state. The aim of this integrated analysis is to trace changes in tardigrade metabolism and identify pathways responsible for their extreme resistance against physical stress.
Advancing microbiome research with machine learning: key findings from the ML4Microbiome COST action
(2023)
The rapid development of machine learning (ML) techniques has opened up the data-dense field of microbiome research for novel therapeutic, diagnostic, and prognostic applications targeting a wide range of disorders, which could substantially improve healthcare practices in the era of precision medicine. However, several challenges must be addressed to exploit the benefits of ML in this field fully. In particular, there is a need to establish “gold standard” protocols for conducting ML analysis experiments and improve interactions between microbiome researchers and ML experts. The Machine Learning Techniques in Human Microbiome Studies (ML4Microbiome) COST Action CA18131 is a European network established in 2019 to promote collaboration between discovery-oriented microbiome researchers and data-driven ML experts to optimize and standardize ML approaches for microbiome analysis. This perspective paper presents the key achievements of ML4Microbiome, which include identifying predictive and discriminatory ‘omics’ features, improving repeatability and comparability, developing automation procedures, and defining priority areas for the novel development of ML methods targeting the microbiome. The insights gained from ML4Microbiome will help to maximize the potential of ML in microbiome research and pave the way for new and improved healthcare practices.
Etablierung von Hochdurchsatz-Kultivierungs- und -Screeningmethoden für phototrophe Einzeller
(2012)
Mit Hochdurchsatz-Kultivierungs- und -Screeningmethoden können viele Proben parallel, miniaturisiert und kostengünstig bearbeitet werden. Für phototrophe Organismen wie Mikroalgen und Cyanobakterien sind Hochdurchsatz-Kultivierungsverfahren jedoch bis heute kaum etabliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diese Verfahren beispielhaft für das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 etabliert. Die benötigte technische Automatisierung wurde hierbei durch den Einsatz eines Tecan Genesis RSP 150 Pipettierroboters erreicht. Die Kultivierung erfolgte in Deepwell-Mikrotiterplatten innerhalb einer speziell angefertigten Kammer mit programmierbaren Schüttlern, einstellbarer Belichtung und CO2-Atmosphäre. Die in diesem System erreichten Wachstumsraten sind vergleichbar mit publizierten Kultivierungsmethoden. Das Hochdurchsatz-Screening wurde mit Hilfe eines in den Roboter integrierten Tecan Genios Plus Plattenreaders durchgeführt. Es wurden beispielhaft Methoden zur Bestimmung von optischer Dichte und Chlorophyllgehalt etabliert. Die hier vorgestellte Plattform kann vielseitig zur Analyse phototropher Organismen eingesetzt werden und ist durch entsprechende Assays leicht zur Messung anderer Parameter erweiterbar.
Die Messung von Zytokinen in Stimulationsexperimenten zur Bestimmung von Stärke und Umfang einer Immunreaktion werden in der Praxis häufig an kryokonserviertem Zellmaterial durchgeführt. Bisherige Untersuchungen zum Einfluss der Kryokonservierung auf die Zytokinexpression sind widersprüchlich. In den hier durchgeführten Experimenten wurden die Genexpression und/ oder Sekretion der Zytokine IL-2, IL-4, IL-5, IL-10, IL-12, IL-13, GM-CSF, IFN-γ und TNF-α in frisch isolierten und kryokonservierten Immunzellen aus Blut (PBMC) eines gesunden Spenders bestimmt. Diese wurden mit den Immunsystem-aktivierenden Stoffen OKT-3 und Concanavalin A (Con A) stimuliert und für 4 bzw. 24 h kultiviert. Ein Vergleich der frisch-isolierten und kryokonservierten PBMC in Stimulationsexperimenten zeigt, (1) dass die Messung der Genexpression genauere Einblicke zu Beginn der einsetzenden Immunreaktion verschafft, als die Messung der ausgeschütteten Zytokine, (2) dass durch Einfrieren die Immunreaktion insbesondere zu diesem Zeitpunkt beeinflusst wird und (3) dass zu späteren Zeitpunkten die Konzentrationsbestimmung der Zytokine im Zellkulturüberstand das Mittel der Wahl ist.
Prostate cancer is one of the most common causes of death in men. In this work a siRNA screen of around 1500 cancer-relevant genes was performed using 3 different cell lines (VCaP, LAPC-4, RWPE-1). A novel technique, the living cell array, was initiated in order to obtain information about the biology of Androgeninduced growth in prostate tumour cell lines. This technique is based on the principal of reverse transfection [1] and genes are knocked down by siRNAs. The cells on the living cell array were set under stress by reduction of the androgens in the media while the proliferation and apoptosis were quantified. The statistical analysis of the data implicates the success of the screen and shows that this method is suitable for large-scale experiments.
Genomics technologies, especially transcriptional profiling, allows comparisons of gene expression within and across different organisms. By the use of the model group Tardigrada, also known as water bear, we try to understand the phenomenon of cryptobiosis. The dry organisms can survive for years without water. When re-exposed to water, the animals rehydrate and come back to life. The expression of genes in response to dehydratation and rehydratation is being examined in our laboratory through the generation of expressed sequence tags (ESTs), representational difference analysis (RDA) and subsequent microarray analysis. Molecular dissection of this complex phenomenom, including gene regulation, will allow the development of techniques for preservation and stabilisation of biological materials in a dried state.
Die simultane Bestimmung mehrerer Analyten und die Erstellung komplexer Parameterprofi e erlangt immer größere Bedeutung in der heutigen Labordiagnostik. Die Bead-basierte Multiplexanalytik bietet hier eine flexible, schnelle und einfache Methode zur Erstellung individueller Analysen. Aufgrund der Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, die diese moderne Nachweismethode im Bereich molekularbiologischer Fragestellungen bietet, ist die Etablierung der Beadbasierten Multiplexanalytik im Labor für Molekularbiologie und funktionelle Genomik der Technischen Hochschule Wildau von großem Nutzen. Zur Einarbeitung in das Testsystem wurden die Konzentrationen der Zytokine IL-2, IL-4, IFN-γ und TNF-α in Zellkulturüberständen mit kommerziellen Fertigsystemen gemessen und mit mRNA-Expressionsraten der gleichen Proben verglichen. Des Weiteren wurde ein Testsystem zum Nachweis von humanen Antikörpern der Klassen IgG und IgM sowie deren antigen-spezifischer Anteil in Zellkulturüberständen entwickelt. Außerdem konnte durch die erfolgreiche Detektion von DNA-gekoppelten Beads mittels markierter Oligonukleotidsequenz die Kopplung und die Anwendbarkeit der Methode auf Bindungsexperimente mit Nukleotidsequenzen gezeigt werden
Einführung eines Qualitätsmanagement-Systems in einem molekularbiologischen Labor einer Hochschule
(2010)
Zertifizierte Qualitätsmanagementsysteme (QM-Systeme) sind in akademischen Forschungslaboren bisher kaum vertreten. Hier ist vor allem die Bedeutung eines zertifizierten Labors vor dem Hintergrund der Veröffentlichung wissenschaftlicher Publikationen scheinbar bedeutungslos. Im industriellen Bereich hingegen sind QM-Systeme weitaus häufiger eingeführt. Labore im akademischen Bereich stehen jedoch grundsätzlich in der Verantwortung, schonend mit den Ressourcen des Staates umzugehen, und haben darüber hinaus das Bestreben, Forschungs-/Industrieaufträge einzuwerben. Mit dieser Publikation wird gezeigt, wie durch die Einrichtung eines QM-Systems und der Einhaltung der normativen Vorgabe ein verbesserter schonender Umgang mit staatlichen Ressourcen möglich ist, die Ergebnissicherheit erhöht, Betriebsabläufe optimiert, die Chancen für Studenten auf dem Arbeitsmarkt verbessert werden und mehr Forschungs-/Industrieaufträge akquiriert werden können. Es wird dargestellt, wie ein QM-System in einem Labor eingerichtet werden kann. Dabei wird erläutert, welche QM-Regelwerke für ein Labor im Hochschulbereich in Betracht kommen. Zudem wird eine Methodik in Form eines Projektplans vorgestellt, mit dem die Anforderungen der Norm strukturiert umgesetzt werden können. Das QM-System wurde im Labor für Molekularbiologie und Funktionelle Genomik an der Technischen Hochschule Wildau [FH] eingeführt und im Rahmen der Zertifizierung der Hochschule in das Audit einbezogen.
Detektion des Kartoffelspindelknollen Viroids mit Hilfe der Loop Mediated Isothermal Amplification
(2011)
PSTV ist ein hoch infektiöses Viroid, das in Kartoffeln verkleinerte und spindelähnliche Knollen verursacht. Um Ernteverlusten vorzubeugen, ist eine Detektion in frühen Infektionsstadien von großer Bedeutung. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität und Spezifität wird die PCR als Standardnachweisverfahren für PSTV verwendet. Nachteilig an dieser Methode sind der apparative Aufwand und die zeitaufwändige Durchführung. Als viel versprechende Alternative konnte der Nachweis von PSTV mit Hilfe der Reverse Transcription Loop Mediated Isothermal Amplification (RT-LAMP) gezeigt werden. Hierbei handelt es sich um eine einfache und schnelle Methode, für die wenig aufwändige Laborausrüstung benötigt wird. Dabei ermöglichte eine an den Amplifikationsprozess gekoppelte Fluoreszenzreaktion die Detektion von Produkten direkt nach der Nachweisreaktion mit dem bloßen Auge (bzw. unter UV-Licht). Die Ergebnisse konnten mit Hilfe einer Real Time Detektion des auftretenden Fluoreszenzsignals bestätigt werden.
