Inovace inovativního genomu z mikrobiomu Země – rozšiřuje známou škálu bakterií a archea o 44%

Umělecká interpretace toho, jak sekvence mikrobiálního genomu z katalogu GEM mohou pomoci vyplnit mezery ve znalostech o bakteriích, které hrají klíčové role v mikrobiomu Země. Tento obrázek doplňuje veřejné úložiště 52 515 mikrobiálních genomů generovaných ze vzorků životního prostředí po celém světě a rozšiřuje známou rozmanitost bakterií a archea o 44%, nyní k dispozici a popsáno 9. listopadu 2020 v Nature Biotechnology. Práce na tomto katalogu genomu z mikrobiomového katalogu Země vychází ze spolupráce více než 200 vědců, výzkumníků z DOE Joint Genome Institute (JGI) a znalostní základny biologie systémů DOE (KBase). Zápočet: uděluje laboratoř Zosia Rostomian / Berkeley

Navzdory pokroku v sekvenčních technologiích a výpočetních metodách v posledním desetiletí vědci objevili genom pouze pro malý zlomek mikrobiální rozmanitosti Země. Protože většinu bakterií nelze kultivovat v laboratorních podmínkách, nelze jejich genom sekvenovat pomocí tradičních přístupů. Identifikace a charakterizace mikrobiální rozmanitosti Země je klíčem k pochopení rolí mikroorganismů při regulaci výživových cyklů a získání poznatků o potenciálních aplikacích, které mají v široké škále výzkumných oblastí.

Veřejná databáze 52 515 mikrobiálních genomů generovaných ze vzorků životního prostředí na celém světě, která rozšiřuje známou rozmanitost bakterií a archea o 44%, je nyní k dispozici a je popsána 9. listopadu 2020 v Přírodní biotechnologie. Známý jako katalog GEM (Genomes from the Microbiomes), tato práce vychází ze spolupráce více než 200 vědců, výzkumníků z American Energy Institute (DOE), Joint Genome Institute (JGI), DOE Science Users Facility Office se sídlem v Lawrence National Laboratory Berkeley (Berkeley Laboratory) a Biology Knowledge Base of DOE Systems (KBase).

Metagenomika je studium mikrobiálních společenstev ve vzorcích prostředí bez nutnosti izolovat jednotlivé organismy pomocí různých metod zpracování, sekvenování a analýzy. „Pomocí techniky zvané binování metagenomu jsme byli schopni rekonstruovat tisíce komplexních metagenomových genomů (MAG) přímo z po sobě jdoucích vzorků prostředí, aniž bychom museli bakterie kultivovat v laboratoři,“ řekl Stephen Neifach, první autor studie a vědecký pracovník v mikrobiomové datové skupině Nikose Curfida. „To, díky čemu tato studie skutečně vyniká oproti předchozím snahám, je neuvěřitelná environmentální rozmanitost vzorků, které jsme analyzovali.“

Emily Eloi-Federush, vedoucí programu JGI Metagenome a hlavní autor studie, rozpracovala Neifachovy komentáře. „Tato studie je navržena tak, aby zahrnovala nejširší a nejrozmanitější škálu vzorků a prostředí, včetně přírodních a zemědělských půd, souvisejících s pohostinností lidí a zvířat a dalších mořských a oceánských prostředí – je to docela úžasné.“

Katalog GEM

Katalog GEM rozšiřuje bakteriální a archeologické řády, jak je vidět na fylogenetickém stromě, o nové linie nezpracovaných genomů z katalogu GEM (zeleně) a existující referenční genom (šedě). Kolem fylogenetického stromu pruhové diagramy ukazují, zda je řád nekultivovaný (modrý; reprezentovaný pouze genomem nebo MAG složeným z methanu) nebo kultivovaný (šedý; reprezentovaný izolovaným genomem). Následující čtyři diagramy ukazují distribuci prostředí, zatímco vykreslení stránky označuje číslo genomu z katalogu GEM obnoveného z každé objednávky. Uznání: Stephen Neifach

Přidání hodnoty nad genomové sekvence

Velká část údajů byla získána ze vzorků životního prostředí zabitých JGI prostřednictvím programu Společenství pro vědu a byla již k dispozici na platformě JGI Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG / M). Al-Fadrush poznamenal, že se jedná o skvělý příklad těžby „velkých dat“ k dosažení hlubšího pochopení dat a zlepšení hodnoty jejich zpřístupněním veřejnosti.

Aby ocenil úsilí výzkumných pracovníků, kteří provedli odběr vzorků, oslovil al-Fadrush více než 200 výzkumných pracovníků po celém světě v souladu se zásadami využití dat JGI. “Cítil jsem, že je důležité si uvědomit značné úsilí sbírat a získávat.” DNA „Tyto vzorky, z nichž mnohé pocházejí z jedinečných a obtížně přístupných prostředí, vyzvaly tyto výzkumníky, aby se stali spoluautory jako součást datového konsorcia IMG,“ uvedla.

S využitím této masivní sady dat Nayfach seskupil MAG do 18 000 skupin kandidátských druhů, z nichž 70% bylo nových ve srovnání s více než 500 000 existujících genomů dostupných v té době. „Když se podíváte na Strom života, je úžasné, kolik nezpracovaných linií představují pouze MAG,“ řekl. „I když tento náborový genom nemusí být dokonalý, stále může odhalit mnoho o biologii a rozmanitosti nekultivovaných bakterií.“

Týmy vědců pracovaly na několika analýzách využívajících databázi genomu a tým IMG / M vyvinul několik aktualizací a funkcí pro těžbu katalogu GEM. (Další informace najdete na semináři IMG o magnetických zásobnících.) Jedna skupina omezila soubor dat pro nové sekundární metabolity klastrů sekundárních biosyntetických genů (BGC) a zvýšila tyto BGC v IMG / ABC (Atlas biosyntetických genových klastrů) O 31%. (Poslechněte si tuto epizodu JGI Natural Prodcast o těžbě genomu.) Naipach také pracoval s jiným týmem na předpovědi spojení virů mezi všemi viry v IMG / VR (virus) a katalogu GEM a patří k 81 000 virům – 70% z nich již není spojeno Na hostitele – s 23 000 MAGy.

Modelování nové cesty pro výzkumné pracovníky magnetonomie

Na základě těchto zdrojů vyvinula společnost KBase, prostředí pro spolupráci, vytváření institucí a objevování znalostí pro biologové a bioinformatiky, metabolické modely pro tisíce MAG. Modely jsou nyní k dispozici ve veřejném příběhu a poskytují pracovní postupy spolupráce. „Metabolické modely jsou rutinní analýzou izolovaného genomu, ale nebyly provedeny ve velkém měřítku pro nezpracované bakterie,“ řekl Elo-Federush, „a my jsme cítili, že spolupráce s KBase by přidala hodnotu nad shluky a analýzy těchto MAG.“

Příklady IMG pro životní prostředí

Výzkum IMG byl použit ze vzorků životního prostředí shromážděných v suchých údolích Artarica. Uznání: Craig Curry, International Center for Inland Antarctic Research, University of Wikto

„Pouze zahrnutí této datové sady do KBase má okamžitou hodnotu, protože lidé mohou najít kvalitní MAG a použít je k ohlašování budoucích analýz,“ řekl Jose P. Faria, biologka pro výpočty KBase v Národní laboratoři. „Proces vytváření metabolického modelu je jednoduchý: jednoduše vyberete genom nebo MAG a klepnutím na tlačítko vytvoříte model z našeho mapovacího fondu mezi biochemickými reakcemi a komentáři. Zkoumáme komentáře v genomu a výsledný model, abychom vyhodnotili metabolické schopnosti organismu.“ (Zobrazit tento online seminář KBase o metabolickém modelování).

Vedoucí praxe KBase Elisha Wood-Charlson dodal, že demonstrací snadnosti, s jakou byly vytvořeny metabolické modely z pole GEM, mohou metanonomičtí vědci uvažovat o větvení do tohoto prostoru. „Je možné, že většina magnetonomických vědců nebyla připravena ponořit se do zcela nové oblasti výzkumu [metabolic modeling]Mohlo by však zajímat, jak biochemie ovlivňuje to, na čem pracují. Genomická komunita nyní může zkoumat metabolismus pomocí jednoduchého způsobu KBase Magnum nebo MAG pro modely, které možná nebyly zohledněny, “uvedla.

Zdroj Společenství pro usnadnění výzkumu

Costas Constantinidis z Gruzínského technologického institutu, jeden ze spoluautorů, jejichž data byla součástí katalogu, „Nemyslím si, že existuje mnoho institucí, které mohou provádět tento druh magnetomiky ve velkém měřítku a disponovat schopnostmi rozsáhlé analýzy. Krása této studie je, že se provádí v měřítku Je to to, co jednotlivé laboratoře nemohou dělat, a to nám dává nový pohled na mikrobiální rozmanitost a funkci. “

Příklady IMG Algal

Pro výzkum byla použita data IMG ze vzorků řas. Uznání: Erica Young

Již našel způsoby, jak použít katalog ve svém výzkumu, jak bakterie reagují na změnu klimatu. „S tímto souborem dat vidím, kde je každá bakterie a jak je hojná. Je to velmi užitečné v mé práci a pro ostatní, kteří provádějí podobný výzkum.“ Kromě toho má zájem o rozšíření rozsahu pomocného rezervoáru, který vyvinul, nazvaného atlas mikrobiálního genomu, aby bylo možné provádět výkonnější analýzy. Přidáním MAGů.

„Je to skvělý zdroj pro komunitu,“ dodal Constantinidis. „Toto je soubor dat, který později usnadní mnoho dalších studií. A doufám, že JGI a další instituce budou takové projekty i nadále provádět.“

Odkaz: „Genomický katalog mikrobiomu Země“, autor: Stephen Neifach, Simon Rox, Rakha Sashdari, Daniel Audwari, Naha Varga, Frederic Schultz, Dongying Wu, David Pass-Espino, E-Min Chen, Marcel Huntman, Krishna Plinyapan, C „A Ježíš do Adau. Superti Mukharji, TBK Ready, Turban Nielsen, Edward Chirton, Jose P. Paria, Janka č. Edirizing, Christopher S. Henry, Sean P. Jungblott, Dylan Choian, Permvir Dahl, Elisha M. Wood-Charlson, Adam P. Arkin, Suzanne JTring, Axel Whistle, IMG / M Data Consortium, Tanja Woyke, Nigel J. Mouncey, Natalia N. Ivanova, Nikos C. Kyrpides a Emiley A. Eloe-Fadrosh, 9. listopadu 2020, Přírodní biotechnologie.
DOI: 10.1038 / s41587-020-0718-6

Práce také využívala zdroje z Národního centra pro energetický výzkum pro informatiku (NERSC), další kanceláře ministerstva vědeckého zdraví DOE v laboratoři Berkeley.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Aby se objev urychlil, vychází z mřížky vysoce dimenzionální infračervený mikroskop

Příklad vzoru dlaždice použitého ke skenování kulatého červa C. elegans. Non-grid pattern dává algoritmu vzorkování větší flexibilitu pro rychlé resetování oblastí zájmu. ...

Starověcí zirkonové říkají, že desková tektonika začala před 3,6 miliardami let – významná událost pro přivítání Země k životu

Zirkony studované výzkumným týmem byly vyfotografovány pomocí katholluminiscence, techniky, která umožňuje týmu vizualizovat vnitřek krystalů pomocí speciálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Tmavé kruhy na...

Můžeme opioidy zvýšit návykovostí? [Video]

V roce 2017 byly miliony lidí po celém světě závislí na opioidech a 115 000 zemřelo na předávkování. Opioidy jsou nejsilnější léky proti bolesti, které...

V místě vazby protilátek ve variantách viru COVID-19 – hlavní důsledky pro budoucí vakcíny

Výzkumný tým Penn State zjistil, že N protein na SARS-CoV-2 je uložen ve všech pandemických koronavirech souvisejících se SARS (nahoře vlevo: SARS-CoV-2, civet, SARS-CoV,...

NASA investuje 105 milionů amerických dolarů do vývoje inovativních technologií pro malé podniky ve Spojených státech

NASA Má dlouhou historii podpory amerických podnikatelů při vývoji technologií od nápadu po obchodní připravenost. Agenturní program Small Business Innovation Research (SBIR) dále podporoval...

Newsletter

Subscribe to stay updated.