Metaproteomik

Metaproteomik ist die groß angelegte Charakterisierung der gesamten Proteinexpression einer mikrobialen Gemeinschaft in einer Umweltprobe. Sie zielt darauf ab, Funktionen, Stoffwechselwege und Interaktionen der im Ökosystem lebenden Organismen auf Proteinebene zu verstehen, und ergänzt genomische und transkriptomische Informationen durch direkte Messung von Proteinen.

Typischer Workflow umfasst die Probenahme, Proteinausbeutung und -aufbereitung, die Proteolyse (typisch mit Trypsin), sowie Massenspektrometrie (LC-MS/MS). Die Datenanalyse erfolgt durch Abgleich der gemessenen Spektren gegen metagenomische oder kombinierte Protein-Datenbanken, die Peptide zu Proteinen und Taxa zuordnen und funktionale Annotationen liefern (z. B. KEGG, GO). Zur Quantifizierung werden label-freie oder label-basierte Methoden eingesetzt.

Zu den zentralen Herausforderungen gehören die enorme Vielfalt der Proteine in Umweltproben, das Protein-Inferenzproblem durch homologe Peptide, die Abhängigkeit von passenden Referenzdatenbanken, das Vorhandensein unbekannter Proteine sowie technische Limitierungen bei Probenaufbereitung und dem Messbereich der Instrumente. Posttranslationale Modifikationen und dynamische Änderungen der Proteomik tragen zusätzliche Komplexität bei.

Anwendungen finden sich im menschlichen Mikrobiom (z. B. Darm), in Umweltmikrobiomen wie Boden und Meerwasser, in der Landwirtschaft und in der Biotechnologie. Durch die Integration mit Metagenomik und Metatranskriptomik lassen sich Verbindungen zwischen Genom, Transkript und Protein herstellen und aktive Stoffwechselwege in Ökosystemen rekonstruieren. Die Metaproteomik entwickelt sich mit fortschrittlicher Massenspektrometrie, DIA-Ansätzen und verbesserten Bioinformatik-Tools weiter und strebt größere Standardisierung an.