Potential and practical application of MALDI-TOF technology for the analysis of bacterial communities

Yang, Jun

Diese Arbeit zeigte, dass die Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionization Flugzeit Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) zur Analyse von Mischkulturen in natürlichen bakteriellen Gemeinschaften eingesetzt werden kann. Im Rahmen der Analyse von Wasserproben wurde eine Identifizierungsdatenbank von Flavobacterium Stämmen (40 Typstämme) aufgebaut. Damit wurden 52 Isolate aus Wasserproben als Flavobacterium-Spezies identifiziert. Ein Vergleich mit 16S rRNA Sequenzen aus denselben Proben ergab vergleichbare Ergebnisse. Im einem zweiten Ansatz wurde das Potential von MALDI-TOF MS bei der Analyse von Mischkulturen in vitro untersucht. Es wurden 9 Mischungen von Ribosomen oder Zellextrakten mittels MALDI-TOF MS qualitativ differenziert. Im Ergebnis wurde deutlich, dass die Überlagerung von Signalen aus ribosomalen Proteinen bei mehreren Bakterien der Haupteinflussfaktor für die Analyse ist. Zusätzlich wurde ein Stressprotein in einer Zellmischung mittels MALDI TOF/TOF MS identifiziert. Des weiteren konnte der Einsatz von MALDI-TOF & BioTyper Analyse bei künstlichen Bakterienmischung bestimmt werden. Im letzten Teil wurden natürliche Bakteriengemeinschaften direkt mit dem MALDI-TOF & BioTyper System untersucht. Dafür wurde zunächst eine Identifizierungsdatenbank für Actinomyceten (142 Stämmen) aufgebaut. Parallel wurden die Umweltproben mit kultivierungsabhängigen und -unabhängigen Methoden klassifiziert. Durch einen Vergleich der Ergebnisse aller Methoden ließen sich die Einsatzmöglichkeiten des vorgestellten MALDI-TOF & BioTyper Systems evaluieren. Für die schnelle Identifizierung der bakteriellen Gemeinschaften stellt MALDI-TOF MS ein effizientes Werkzeug dar. Darüber hinaus ist die MALDI-Methode, im Vergleich zu 16S rRNA-basierten Ansätzen, schnell, einfach und preisgünstig. Die Ergebnisse zeigen, dass die MALDI-TOF MS das Potential hat, natürliche Bakteriengemeinschaften zu charakterisieren. Die Methode ist eine sinnvolle Ergänzung zu kultivierungsabhängigen und molekularbiologischen Methoden.

This work showed that matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) can be used to analyze mixtures of bacteria and even natural bacterial communities. For the analysis of water samples, a database for the identification of Flavobacterium species (40 type strains) was established in the first part. Thus, 52 isolates from water samples were identified as Flavobacterium species. A comparison with 16S rRNA sequences of the same samples revealed comparable results. In the second part, the potential of the MALDI-TOF MS in the analysis of mixed cultures in vitro was investigated. Nine mixtures of ribosome or cell extracts were qualitatively differentiated by MALDI-TOF MS. As a result, it became clear that the overlapping of signals from ribosomal proteins of several bacteria was the major factor influencing results. In addition, a stress protein of a cell mixture was identified using MALDI TOF/TOF MS. Furthermore, the MALDI-TOF & BioTyper analysis could be applied to artificial bacterial mixture as well. In the last part, natural bacterial communities were examined directly using the MALDI-TOF & BioTyper system. We first established a database for the identification of actinomycetes (142 strains). In parallel, the environmental samples were classified using cultivation-dependent and -independent methods. By comparing the results of all methods, the applications of the proposed MALDI-TOF & BioTyper system were evaluated. The results showed that MALDI-TOF MS is an efficient tool for rapid identification of bacterial communities. The MALDI technique is a quick, easy and inexpensive method to identify bacterial communities which is comparable with 16S rRNA-based approaches. In summary, the MALDI-TOF MS has the potential to become an important technique to characterize natural bacterial communities. This method is a useful complement for cultivation-dependent and molecular biological methods.

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Yang, Jun: Potential and practical application of MALDI-TOF technology for the analysis of bacterial communities. 2013.

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