Naujų genomų atskleidimas iš žemės mikrobiomo – 44% išplečia žinomą bakterijų ir archeae įvairovę

Meninė interpretacija, kaip mikrobų genomo sekos iš GEM katalogo gali padėti užpildyti žinių spragas apie mikrobus, kurie vaidina pagrindinį vaidmenį Žemės mikrobiomose. Šis vaizdas papildo viešą 52 515 mikrobų koncepcijos genomų, sukurtų iš aplinkos mėginių, saugyklą visame pasaulyje, 44% išplėsdamas žinomą bakterijų ir archėjų diapazoną. Dabar ją galima rasti ir aprašyti 2020 m. Lapkričio 9 d. „Nature Biotechnology“. Šis genomo katalogo darbas iš Žemės mikrobiomų katalogo yra sukurtas bendradarbiaujant su daugiau nei 200 mokslininkų, tyrėjų iš DOE jungtinio genomo instituto (JGI) ir DOE sistemų biologijos žinių bazės (KBase). Kreditas: teikia Zosia Rostomian / Berkeley Lab

Nepaisant sekvencijos technologijų ir skaičiavimo metodų pažangos per pastarąjį dešimtmetį, mokslininkai genomus paveikė tik maža dalimi Žemės mikrobų įvairovės. Kadangi daugumos mikrobų negalima auginti laboratorinėmis sąlygomis, jų genomų negalima sekvenuoti pagal tradicinius metodus. Norint suprasti mikroorganizmų vaidmenį reguliuojant maistinių medžiagų ciklus, taip pat įgyti supratimą apie galimą jų taikymą įvairiausiose mokslinių tyrimų srityse, būtina identifikuoti ir apibūdinti planetos mikrobų įvairovę.

2020 m. Lapkričio 9 d. Yra vieša 52 515 mikrobų koncepcijos genomų, sukurtų iš aplinkos mėginių visame pasaulyje, saugykla, kuri 44 proc. Išplečia žinomą bakterijų ir archajų asortimentą. Natūrali biotechnologija. Šis darbas, žinomas kaip GEM (Genomes from Earth’s Microbiomes) katalogas, yra sukurtas bendradarbiaujant su daugiau nei 200 mokslininkų, tyrėjų iš JAV Energetikos departamento (DOE) Jungtinio genomo instituto (JGI), DOE biuro. „Science User Facility“, esanti Lawrence Berkeley nacionalinėje laboratorijoje (Berkeley Lab) ir DOE sistemų biologijos žinių bazėje (KBase).

Metagenomika – tai mikrobų bendrijų tyrimas aplinkos mėginiuose, neišskiriant atskirų organizmų, naudojant skirtingus apdorojimo, sekvenavimo ir analizės metodus. „Naudodamiesi metodu, vadinamu metagenominiu rišimu, mes sugebėjome atkurti tūkstančius metagenominių sudėtinių genomų (MAG) tiesiai iš nuoseklių aplinkos mėginių, laboratorijoje neaugindami mikrobų“, – sakė pirmasis Nikoso Kyrpideso autorius ir mokslininkas Stephenas Nayfachas. „Microbiome Data Science Group“. “Tai, kas iš tikrųjų išskiria šį tyrimą kaip ankstesnius bandymus, yra nepaprasta mūsų analizuotų mėginių aplinkos įvairovė.”

Emiley Eloe-Fadrosh, JGI Metagenome programos vadovė ir vyresnioji tyrimo autorė, išplėtė Nayfacho komentarus. “Šis tyrimas skirtas apimti pačius įvairiausius mėginius ir aplinką, įskaitant natūralią ir žemės ūkio naudmenas, susijusias su žmonėmis ir gyvūnais, vandenyną ir kitą vandens aplinką – tai nepaprastai nuostabu.”

GEM katalogas

GEM katalogas išplečia bakterijų ir dumblių tvarką, kaip matyti filogenetiniame medyje, su naujais neuždirbtų genomų genealogijomis iš GEM katalogo (žalia spalva) ir jau egzistuojančiais etaloniniais genomais (pilka spalva). Aplink filogenetinį medį juostelės diagramos nurodo, ar eilė yra nekultūringa (mėlyna; ją vaizduoja tik metagenominiai sudėtiniai genomai arba MAG), ar kultūra (pilka; pavaizduota izoliato genomu). Šiose keturiose juostinėse diagramose nurodomas aplinkos pasiskirstymas, o juostinėje diagramoje nurodomas GEM katalogo genomų, gautų iš kiekvieno užsakymo, skaičius. Autorius: Stephenas Nayfachas

Vertės pridėjimas už genomo ribų

Didžioji duomenų dalis buvo gauta iš aplinkosaugos pavyzdžių, kuriuos JGI stebėjo per Bendrijos mokslo programą, ir jie jau buvo prieinami JGI integruotų mikrobų genomų ir mikrobiomų (IMG / M) platformoje. Eloe-Fadroshas pažymėjo, kad tai buvo geras „didelių duomenų“ kasybos pavyzdys, kad geriau suprastume duomenis ir padidintume jų vertę pateikdami duomenis.

Pripažindamas mėginių ėmimą atlikusių tyrėjų pastangas, Eloe-Fadroshas, ​​remdamasis JGI duomenimis, pasiekė daugiau nei 200 mokslininkų visame pasaulyje. „Manau, kad svarbu pripažinti svarbias pastangas rinkti ir pasitraukti DNR iš šių pavyzdžių, kurių daugelis yra iš unikalios, sunkiai prieinamos aplinkos, ir pakvietė šiuos tyrėjus kartu su IMG duomenų konsorciumo dalimi “, – sakė ji.

Naudodamas šį didžiulį duomenų rinkinį, Nayfachas sugrupavo MAG į 18 000 rūšių kandidatų, iš kurių 70% buvo nauji, palyginti su daugiau nei 500 000 esamų tuo metu turimų genomų. „Kai žiūrime į gyvenimo medį, stulbina tai, kiek nekultūringų kartų atstovauja tik MAG“, – sakė jis. “Nors šis koncepcijos genomas yra netobulas, jis vis tiek gali daug atskleisti apie nedirbamų mikrobų biologiją ir įvairovę.”

Mokslininkų komandos dirbo prie įvairių analizių, kad išnaudotų genomo saugyklą, o IMG / M komanda sukūrė keletą atnaujinimų ir funkcijų, kad būtų galima panaudoti GEM katalogą. (Norėdami sužinoti daugiau, žiūrėkite šį IMG internetinį seminarą „Metagenome Bins“.) Viena grupė ištyrė antrinių metabolitų biosintetinių genų grupių (BGC) naujų antrinių metabolitų duomenų rinkinį, kurį šie BGC pateikė IMG / ABC (Biosintetinių genų atlasas). Klasteriai) 31%. (Klausykitės šio „JGI Natural Prodcast“ epizodo apie genomo išnaudojimą.) Nayfachas taip pat dirbo su kita komanda, norėdamas numatyti pagrindinio kompiuterio virusų ryšius tarp visų IMG / VR (Virus) virusų ir GEM katalogo, susiejusio 81 000 virusų, iš kurių 70% dar nesusiję su pagrindiniu kompiuteriu – su 23 000 MAG.

Naujo metagenomikos tyrinėtojų kelio modeliavimas

Remdamasi šiais ištekliais, KBase, daugiainstitucinė žinių kūrimo ir atradimo aplinka, sukurta biologams ir bioinformatikai, sukūrė tūkstančių MAG medžiagų apykaitos modelius. Dabar modelius galima rasti viešame pasakojime, kuriame siūlomos dalijamos, atkuriamos darbo eigos. “Metabolinis modeliavimas yra įprasta izoliatų analizė, tačiau tai nebuvo padaryta dideliu mastu nedirbtiems mikrobams”, – sakė Eloe-Fadroshas, ​​”ir mes tikėjome, kad bendradarbiavimas su KBase suteiks pridėtinę vertę už grupavimą ir šių MAG analizė.

IMG aplinkos pavyzdžiai

Tyrimui buvo naudojami aplinkos mėginių, surinktų „Artarctica“ sausuose slėniuose, duomenys IMG. Autorius: Craigas Cary, Tarptautinis antžeminių antarkties tyrimų centras, Waikato universitetas

„Iš karto svarbu įtraukti šį duomenų rinkinį į„ KBase “, nes žmonės gali rasti aukštos kokybės MAG ir juos panaudoti būsimoms analizėms informuoti“, – sakė Argonos nacionalinės laboratorijos KBase skaičiavimo biologas José P. Faria. sakė. “Metabolizmo modelio sudarymo procesas yra paprastas: tiesiog pasirinkite genomą arba MAG ir paspauskite mygtuką, kad sukurtumėte modelį iš mūsų duomenų bazės, kurioje pateikiamas žemėlapis tarp biocheminių reakcijų ir anotacijų. Mes žiūrime į tai, kas yra anotuota genome, ir į gautą modelį, kad nustatytume organizmo metabolinius gebėjimus. (Žiūrėkite šį KBase internetinį seminarą apie medžiagų apykaitos modeliavimą.)

„KBase User Engagement“ vadovė Elisha Wood-Charlson pridūrė, kad pademonstruodami GEM duomenų rinkinio medžiagų apykaitos modelių lengvumą, metagenomikos tyrėjai galėtų apsvarstyti galimybę išsiplėsti į šią erdvę. „Dauguma metagenomikos tyrinėtojų gali būti nepasirengę pasinerti į visiškai naują tyrimų sritį [metabolic modeling], tačiau juos gali dominti biochemijos, kurioje jie dirba, įtaka. Genomikos bendruomenė dabar gali ištirti medžiagų apykaitą naudodama lengvą KBase kelią nuo genomų ar MAG iki modeliavimo, kuris galbūt nebuvo svarstomas “, – sakė ji.

Bendruomenės šaltinis, palengvinantis tyrimus

Kostas Konstantinidis iš Džordžijos technologijos instituto, vienas iš bendraautorių, kurio duomenys buvo katalogo dalis, „Nemanau, kad yra daugybė institucijų, galinčių atlikti tokio pobūdžio didelio masto metagenomiką ir galinčios būti didelio masto. ne. analizės. Šio tyrimo grožis yra tai, kad jis atliekamas tokiu mastu, kurio negali padaryti atskiros laboratorijos, ir tai suteikia mums naujų įžvalgų apie mikrobų įvairovę ir funkcijas. “

IMG bendrieji pavyzdžiai

Tyrimui buvo naudojami dumblių mėginių duomenys IMG. Autorius: Erica Young

Jis jau randa būdų, kaip panaudoti katalogą savo tyrimuose, kaip mikrobai reaguoja į klimato pokyčius. “Turėdamas šį duomenų rinkinį matau, kur kiekvienas mikrobas yra ir koks jo gausus. Tai labai naudinga mano darbui ir kitiems, atliekantiems panašius tyrimus. Be to, jis yra suinteresuotas išplėsti savo kuriamos etaloninės duomenų bazės, vadinamos mikrobų genomų atlasu, asortimentą, kad būtų galima atlikti patikimesnę analizę pridedant MAG.

„Tai puikus šaltinis bendruomenei“, – pridūrė Konstantinidis. „Tai yra duomenų rinkinys, kuris palengvins daugybę kitų tyrimų po to. Tikiuosi, kad JGI ir kitos institucijos ir toliau vykdys tokio pobūdžio projektus. “

Nuoroda: Stephen Nayfach, Simon Roux, Rekha Seshadri, Daniel Udwary, Neha Varghese, Frederik Schulz, Dongying Wu, David Paez-Espino, I-Min Chen, Marcel Huntemann, Krišna Palaniappan, Joshua „Genominis Žemės mikrobiomo katalogas“. Ladau, Supratim Mukherjee, TBK Reddy, Torben Nielsen, Edward Kirton, José P. Faria, Janaka N. Edirisinghe, Christopher S. Henry, Sean P. Jungbluth, Dylan Chivian, Paramvir Dehal, Elisha M. Wood-Charlson, Adam P. Arkin, Susannah G. Tringe, Axel Visel, IMG / M duomenų konsorciumas, Tanja Woyke, Nigel J. Mouncey, Natalia N. Ivanova, Nikos C. Kyrpides ir Emiley A. Eloe-Fadrosh, 2020 m. Lapkričio 9 d., Natūrali biotechnologija.
DOI: 10.1038 / s41587-020-0718-6

Šiame darbe taip pat buvo naudojami Nacionalinio energetikos tyrimų mokslinio skaičiavimo centro (NERSC), kito DOE biuro, skirto mokslo vartotojams, Berkeley laboratorijos ištekliai.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Dalelių fizikai problemą, vadinamą „persekiojimu“, sprendė daugiau nei 20 metų.

Iliustracija seka spindulio keliu, kai jis eina per stačiakampę, radijo dažnio, vario, magneto, juodojo dipolio ir modulinę matavimo sistemą ir į dalelių detektorių. ...

2D medžiagų paėmimas sukimui

„Spintronic“ skaičiavimo meno koncepcijos iliustracija. Tskubos universiteto Aukšto slėgio fizikos instituto mokslininkai kuria naują molibdeno disulfido tranzistorių, kuris sukuria elektronų sukimosi vaizdą, kuris galėtų atverti...

Marsas, Plejadės, Jupiteris, Saturnas ir kiti išskirtiniai „Skywatching“ 2021 m. Kovo mėn

Ko reikia kovo mėnesį? Marsas su draugais vakare, o grįžtančios planetos grįžta… Pirmąją savaitę arba kovo mėnesį Marsą rasite netoli Pleiades žvaigždžių spiečiaus vakaruose, praėjus...

„Prarastos ledo paslaptys“ galiausiai buvo išspręstos judant Žemės plutai

Grenlandijos ledynai 2018. Kreditas: NIOZ, Kim Sauter Naujo pasaulinio ledo dangos atstatymas per pastaruosius 80 000 metų. Ledynmečiu vidutinis pasaulio jūros lygis mažėja, nes didelis jūros...

Pirmieji Naujosios Anglijos žmonės gali turėti bendrą žemę su vilna

Vilnonio mamuto (Mammuthus primigenius) ekspozicijos Karališkame BC muziejuje Viktorijoje, Britų Kolumbijoje, Kanadoje. Paroda yra 1979 m., O kailis - muskuso plaukai. Autorius:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.