Zentrum für translationale Mikrobiomforschung (CTMR), Karolinska-Institut

Herausforderung: Förderung der öffentlichen Gesundheit durch medizinische Forschung

Das schwedische Karolinska-Institut ist eine der weltweit führenden medizinischen Universitäten. Seine Mission ist es, einen Beitrag zur Förderung der menschlichen Gesundheit zu leisten. Es veröffentlicht jedes Jahr mehr als 6.000 wissenschaftliche Publikationen, die einem Peer-Review unterzogen wurden. Die Universität hat eine Sonderstellung in der akademischen Welt, da die Nobelversammlung am Karolinska-Institut für die Auswahl der Nobelpreisträger in Physiologie oder Medizin verantwortlich ist.

Das Zentrum für translationale Mikrobiomforschung (CTMR) an der Fakultät für Mikro-, Tumor- und Zellbiologie des Karolinska-Instituts ist eine innovative öffentlich-private Partnerschaft mit Ferring Pharmaceuticals. Ferring Pharmaceuticals ist ein forschungsorientiertes, spezialisiertes biopharmazeutisches Unternehmen mit Hauptsitz in der Schweiz und Wurzeln in Schweden.

Die Wissenschaftler am CTMR arbeiten daran, die Erforschung aller Aspekte chronischer Erkrankungen im Magen-Darm-Trakt zu beschleunigen und die Auswirkungen des Mikrobioms auf die reproduktive Gesundheit besser zu verstehen. Das oberste Ziel besteht darin, das Potenzial des menschlichen Mikrobioms – die Gesamtheit aller Mikroorganismen im Verdauungssystem des Körpers – zu erschließen, um Behandlungen zu verbessern und Krankheiten vorzubeugen.

Fredrik Boulund, Leiter der Bioinformatik am CTMR, erklärt: „Ein Großteil unserer Arbeit besteht in der Analyse von Laborproben. Wenn wir uns DNA-Sequenzierungsdaten ansehen, stellen wir zuerst fest, welche Mikroorganismen in der Probe enthalten sind. Wir analysieren die multidimensionalen Mikrobiomdaten, um die Zusammensetzung der Gesamtheit zu verstehen. Anschließend untersuchen wir, wie sich die Mikroorganismen in der Probe verhalten – was sie verbrauchen und was sie produzieren können. Wir müssen herausfinden, wie sich die Eigenschaften der Mikrobiomgesamtheit in den Proben auf unsere Forschungsfragen beziehen.“

Diese Forschung ist sehr rechen- und speicherintensiv. Das CTMR hat über die Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) Zugang zu gemeinsam genutzten Hochleistungscomputern (HPC). Es benötigte jedoch das ganze Jahr über Zugang zu flexibleren Rechenkapazitäten, um große Mengen von Proben zu verarbeiten, deren Eintreffen schwer vorherzusehen war.

„Die Verwendung externer Rechenressourcen war eine nützliche Option, schränkte aber auch unsere Produktivität ein“, sagt Boulund. „Der gesamte Workflow hatte eine langsame Feedbackschleife. Nach der Planung der Analyse mussten wir die Rohdaten auf die gemeinsam genutzten HPC-Systeme hochladen und Rechenaufträge an die zentrale Warteschlange senden. Dann mussten wir stunden- oder sogar tagelang warten, bis die Aufträge abgeschlossen – oder fehlgeschlagen – waren. Als wir anfingen, unsere Belegung auf den gemeinsam genutzten HPC-Systemen zu überschreiten, begannen wir, nach neuen Optionen zu suchen, um schneller und flexibler Erkenntnisse zu erhalten.“

2020 wurde das CTMR außerdem von der schwedischen Regierung beauftragt, über die Grundlagenforschung hinauszugehen und ein neues National Pandemic Centre (NPC) einzurichten. Das NPC wurde zusammen mit SciLifeLab (Science for Life Laboratory), einer Organisation zur Förderung der molekularen Biowissenschaften in Schweden, ins Leben gerufen. Zur Stärkung der Reaktion Schwedens auf die Coronakrise analysierte das NPC pro Woche etwa 45.000 PCR-Tests. Im Laufe der Pandemie entwickelte es sich zu einer der größten Laboreinrichtungen Schwedens für SARS-CoV-2 (COVID-19)-Analysen. Zeitweise stellte das NPC bis zu einem Fünftel der gesamten Testkapazität des Landes bereit.

Eine der Hauptaufgaben des NPC besteht darin, Forschern, die an COVID-19 arbeiten, fortschrittliche Technologien und Fachwissen zur Verfügung zu stellen. „Als die Arbeit während der Coronakrise begann, mussten wir plötzlich viel mehr Daten bewältigen“, fügt Boulund hinzu. „Unser Team musste schnell unsere Kapazitäten für die Datenanalyse erweitern, damit wir unseren Beitrag leisten konnten, die SARS-CoV-2-Forschung voranzutreiben.“