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在對地球微生物組進行編目的同時發現了12,000種新微生物

儘管在過去十年中測序技術和計算方法取得了進步,但研究人員發現了僅佔地球微生物多樣性一小部分的基因組。由於大多數微生物無法在實驗室條件下進行培養,因此無法使用傳統方法對它們的基因組進行測序。識別和表徵地球的微生物多樣性,對於理解微生物在調節營養循環中的作用,以及深入了解它們在廣泛的研究領域中的潛在應用至關重要。

現已公開提供一個由全球環境樣品產生的52,515個微生物草案基因組的公共資源庫,將已知的細菌和古細菌多樣性擴大了44%,並於2020年11月9日在《自然生物技術》中進行了描述。美國能源部(DOE)聯合基因組研究所(JGI)的200名科學家,研究人員參與了這項合作,這項工作被稱為GEM(地球微生物組的基因組)目錄,位於美國能源部科學用戶辦公室勞倫斯·伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)和DOE系統生物學知識庫(KBase)。

元基因組學是對環境樣本中微生物群落的研究,無需使用各種處理,測序和分析方法來分離單個生物。該研究的第一作者兼研究科學家Stephen Nayfach指出:“使用稱為元基因組分級的技術,我們能夠直接從測序的環境樣品中重建成千上萬個由基因組組裝的基因組(MAG),而無需在實驗室中培養微生物。” Nikos Kyrpides的微生物組數據科學小組。 “使這項研究真正脫穎而出的原因是我們分析的樣品具有顯著的環境多樣性。”

JGI元基因組計劃負責人,該研究的資深作者Emiley Eloe-Fadrosh詳細闡述了Nayfach的評論。 “這項研究旨在涵蓋最廣泛,最多樣化的樣本和環境,包括天然和農業土壤,與人和動物相關的宿主以及海洋和其他水生環境,這非常了不起。”

在基因組序列之外增加價值

JGI通過社區科學計劃對環境樣本進行了測序,這些數據大部分來自JGI的整合微生物基因組與微生物組(IMG / M)平台。 Eloe-Fadrosh指出,這是“大數據”挖掘的一個很好的例子,可以通過對數據的公開獲取來加深對數據的了解並提高價值。

為了感謝進行抽樣的研究人員的努力,Eloe-Fadrosh根據JGI數據使用政策與全球200多名研究人員進行了接觸。 “我感到重要的是要承認從這些樣本中收集和提取DNA的重大努力,其中許多來自獨特且難以訪問的環境,並邀請這些研究人員作為IMG的一部分共同撰寫 hoya娛樂城數據聯盟。”她說。

利用這個龐大的數據集,Nayfach將MAG分為18,000個候選物種組,與當時的500,000個現有基因組相比,其中70%是新穎的。他說:“縱觀生命之樹,令人驚訝的是,只有MAG代表了多少未耕種的血統。” “儘管這些原始基因組不完善,但它們仍可以揭示許多未培養微生物的生物學和多樣性。”

研究人員團隊利用基因組存儲庫進行了多種分析,IMG / M團隊開發了一些更新和功能來挖掘GEM目錄。 (觀看這個在Metagenome Bins上的IMG網絡研討會,以了解更多信息。)一組挖掘了次生代謝物生物合成基因簇(BGC)的新型次生代謝物的數據集,使IMG / ABC(生物合成基因簇圖集)中的這些BGC增加了31%。 娛樂城的相關搜尋(收聽有關基因組挖掘的JGI Natural Prodcast節目。)Nayfach還與另一個團隊合作,預測了IMG / VR(病毒)中的所有病毒與GEM目錄之間的主機-病毒連接,關聯了81,000種病毒-其中70%並未已經與一個主機相關聯-具有23,000個MAG。

為元基因組學研究人員建模的新途徑

il完美娛樂城利用這些資源,為生物學家和生物信息學家設計的多機構協作知識創造和發現環境KBase為數千種MAGs開發了代謝模型。這些模型現在可以在公共敘事中找到,提供了可共享,可複制的工作原理炫海娛樂城kflows。 “代謝建模是對分離基因組的常規分析,但尚未針對未培養的微生物進行大規模分析,” Eloe-Fadrosh說,“我們認為與KBase的合作將為這些MAG的聚類和分析帶來更多價值。

Argonne國家實驗室的KBase計算生物學家JoséP. Faria說:“將這個數據集引入KBase具有即時價值,因為人們可以找到高質量的MAG,並將其用於將來的分析。” “建立代謝模型的過程很簡單:您只需選擇一個基因組或MAG,然後按一下按鈕即可從我們的生化反應和註釋之間的映射數據庫中建立模型。我們將研究基因組中註釋的內容以及評估該生物體代謝能力的模型。” (觀看有關代謝建模的KBase網絡研討會。)

KBase User Engagement負責人Elisha Wood-Charlson補充說,通過演示從GEM數據集生成代謝模型的簡便性,宏基因組學研究人員可能會考慮擴展到這一領域。 “大多數宏基因組學研究人員可能不願涉足全新的研究領域[代謝建模],但他們可能對生物化學如何影響其研究成果感興趣。現在,基因組學界可以使用KBase從基因組或MAG到可能尚未考慮的建模的簡便方法來探索代謝。”

促進社區資源娛樂城賺錢飲食研究

佐治亞理工學院的科斯塔斯·康斯坦丁尼迪斯(Kostas Konstantinidis)是數據的一部分之一,他的數據是該目錄的合著者之一,“我認為沒有很多機構可以進行這種大規模宏基因組學研究,並且具有大規模研究的能力。分析。這項研究的優點在於,它是在單個實驗室無法做到的如此大規模的情況下完成的,它為我們提供了有關微生物多樣性和功能的新見解。”

他已經在自己的​​微生物對氣候變化的響應研究中找到了利用目錄的方法。 “有了這個數據集,我可以看到在哪裡發現了每種微生物,以及微生物的數量。這對於我的工作和其他進行類似研究的人非常有用。”此外,他有興趣擴大他正在開發的稱為“微生物基因組圖集”的參考數據庫的多樣性,以通過添加MAG進行更可靠的分析。

康斯坦丁尼迪斯(Konstantinidis)補充說:“這對於社區來說是一個巨大的資源。 “這是一個數據集,隨後將促進更多的研究。我希望JGI和其他機構繼續進行此類項目。”

參考
Nayfach S,Roux S,Seshadri R等。地球微生物組的基因組目錄。 自然生物技術在線發佈於2020年11月9日:1-11。 doi:10.1038 / s41587-020-0718-6

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