Ein Durchbruch in der Big-Data-Verarbeitung hilft beim Aufspüren von Chemikalien in komplexen Gemischen

Wissenschaftler öffnen ein neues Fenster in die chemische Welt

21.03.2023 - Tschechien

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Tomáš Pluskal vom Institut für Organische Chemie und Biochemie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften (IOCB Prag) hat eine neue Generation von Software vorgestellt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, große Datenmengen aus der Massenspektrometrie zu analysieren, einer Technik, die chemische Stoffe nach ihrem Gewicht trennt. Das Open-Source-Projekt MZmine bietet ein neues Fenster in den chemischen Raum, der uns umgibt und in dem wir leben. Die neuesten Fortschritte in MZmine 3 wurden jetzt in einem Nature Biotechnology-Artikel veröffentlicht.

Analytische Chemiker der Welt, vereinigt euch! So könnte man die gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt umschreiben, die sich mit Hilfe der Massenspektrometrie bemühen, die chemische Zusammensetzung komplexer Proben unterschiedlicher Herkunft zu entschlüsseln und zu analysieren, insbesondere bei biologischen und klinischen Studien. Jede einzelne Probe kann Hunderttausende verschiedener chemischer Verbindungen enthalten, die Wissenschaftler aufspüren, quantifizieren und identifizieren müssen, um ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder ihre ökologische Rolle zu verstehen.

Selbst bei relativ kleinen Studien fallen Gigabytes an Rohdaten an, die verarbeitet und interpretiert werden müssen. Die Verarbeitung, die Analyse und der Vergleich einer Vielzahl molekularer Daten gehören heute zu den schwierigsten Schritten in der biochemischen Analyse. Dies ist auch ein großer Engpass, der die Fähigkeit der Wissenschaftler einschränkt, ihr Wissen zu erweitern und neue Entdeckungen zu machen.

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Von der Gemeinschaft gesteuerte Entwicklung

Aus diesem Grund begann eine Gruppe internationaler Wissenschaftler 2005 mit der Entwicklung der Open-Source-Software MZmine zur Unterstützung der Analyse von Massenspektrometriedaten. Die Gemeinschaft, die diese Software entwickelt, wurde von dem tschechischen Wissenschaftler Tomáš Pluskal mitbegründet, der das Projekt fast von Anfang an koordiniert hat und derzeit Gruppenleiter am IOCB Prag ist.

"Die größte Stärke des MZmine-Projekts ist die internationale Gemeinschaft von Experten, die sich um das Projekt herum gebildet hat. Auf Konferenzen finden Präsentationen über MZmine immer großen Anklang", sagt Tomáš Pluskal über das Projekt.

Robin Schmid vom IOCB Prag und der UC San Diego (CA, USA), einer der Erstautoren der Arbeit, fügt hinzu: "Es ist fantastisch, wenn wir zum ersten Mal Forscher aus anderen Ländern treffen und sie uns sagen, dass MZmine und unsere Unterstützung ihre Doktorarbeit oder ihre Projekte gerettet hat. Das ist die beste Anerkennung, die man sich erhoffen kann."

Die erste Version von MZmine hat es Wissenschaftlern ermöglicht, die Verarbeitung von Datensätzen, die von Analysegeräten erzeugt wurden, in einem noch nie dagewesenen Umfang zu automatisieren. Die zweite Generation von MZmine, die 2010 veröffentlicht wurde, machte das Projekt noch bekannter und führte zur Bildung einer weltweiten Gemeinschaft von Forschern, die die Software nutzen und ihre Funktionen mit zusätzlichen Modulen und Anwendungen weiter ausbauen. Die Veröffentlichung, in der die zweite Generation von MZmine vorgestellt wurde, hat seitdem mehr als 2.200 Zitate in wissenschaftlichen Artikeln gesammelt, und das Tool selbst wurde zur Verarbeitung von Millionen verschiedener Messungen verwendet.

Dritte Generation

Die neueste MZmine 3 bringt mehrere wichtige Verbesserungen mit sich. Während die Vorgängerversion es Wissenschaftlern ermöglichte, Hunderte von Proben in wenigen Tagen zu analysieren, können mit der neuen Generation Tausende von Proben pro Stunde verarbeitet werden. Die neue Version der Software beschleunigt nicht nur die Datenverarbeitung erheblich, sondern ermöglicht erstmals auch die Verknüpfung verschiedener Datentypen, insbesondere zeitaufgelöster und bildgebender Daten.

Dies eröffnet den Forschern die Möglichkeit, komplexe biologische Proben einfacher zu analysieren und zu interpretieren. MZmine ist ein Werkzeug zur Erforschung der Ursachen und Mechanismen von Krankheiten, zur Ermittlung nützlicher klinischer Biomarker für die Diagnostik und zur Identifizierung von Chemikalien in der Umwelt. Dazu gehören auch bisher unbekannte chemische Strukturen, die sich als wertvoll für die Entdeckung und Entwicklung neuer Medikamente für medizinische Anwendungen erweisen könnten.

Die dritte Generation von MZmine wurde in einem Papier angekündigt, das neben Tomáš Pluskal als korrespondierendem Autor von den Erstautoren Robin Schmid (IOCB Prag und UC San Diego) sowie Steffen Heuckeroth und Ansgar Korf (beide Universität Münster, Deutschland) verfasst wurde, denen sich über drei Dutzend weitere Autoren aus der ganzen Welt angeschlossen haben.

"MZmine hat sich in den letzten zehn Jahren als zuverlässiges Werkzeug für Massenspektrometrieforscher etabliert. Sein modularer Rahmen hat die Beteiligung der Gemeinschaft an der Entwicklung des MZmine-Codes gefördert, was zu bedeutenden Fortschritten geführt hat, die in der kürzlich veröffentlichten MZmine 3 enthalten sind", sagt Ansgar Korf von der Universität Münster.

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