Aufdeckung neuer Genome aus den Mikrobiomen der Erde – erweitert die bekannte Vielfalt von Bakterien und Archaeen um 44%.

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Trotz der Fortschritte bei den Sequenziertechnologien und Computermethoden im letzten Jahrzehnt haben Forscher Genome für nur einen kleinen Bruchteil der mikrobiellen Vielfalt der Erde aufgedeckt. Da die meisten Mikroben nicht unter Laborbedingungen kultiviert werden können, lassen sich ihre Genome nicht mit herkömmlichen Methoden sequenzieren. Die Identifizierung und Charakterisierung der mikrobiellen Diversität der Erde ist der Schlüssel zum Verständnis der Rolle von Mikroorganismen bei der Regulierung von Nährstoffzyklen sowie zur Gewinnung von Erkenntnissen über mögliche Anwendungen, die sie in einem breiten Spektrum von Forschungsbereichen haben können.

Eine öffentliche Sammlung von 52.515 mikrobiellen Entwurfsgenomen, die aus Umweltproben auf der ganzen Welt generiert wurden und die die bekannte Vielfalt von Bakterien und Archaeen um 44% erweitert haben, ist jetzt verfügbar und wird am 9. November 2020 in Nature Biotechnology beschrieben. Diese Arbeit, die als GEM-Katalog (Genome from Earth’s Microbiomes) bekannt ist, ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit von mehr als 200 Wissenschaftlern, Forschern des Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums (DOE), einer DOE Office of Science User Facility am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der DOE Systems Biology Knowledgebase (KBase).

Metagenomik ist die Untersuchung der mikrobiellen Gemeinschaften in den Umweltproben, ohne dass einzelne Organismen isoliert werden müssen, wobei verschiedene Methoden zur Verarbeitung, Sequenzierung und Analyse verwendet werden. “Mit Hilfe einer Technik namens Metagenom-Binning konnten wir Tausende von Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) direkt aus sequenzierten Umweltproben rekonstruieren, ohne die Mikroben im Labor kultivieren zu müssen”, bemerkte Stephen Nayfach, der Erstautor der Studie und Forscher in Nikos Kyrpides’ Gruppe Microbiome Data Science. “Was diese Studie wirklich von früheren Bemühungen abhebt, ist die bemerkenswerte Umweltvielfalt der von uns analysierten Proben”.

Emiley Eloe-Fadrosh, Leiter des JGI-Metagenomprogramms und leitender Autor der Studie, ging auf Nayfachs Kommentare ein. “Diese Studie wurde so konzipiert, dass sie das breiteste und vielfältigste Spektrum an Proben und Umgebungen umfasst, einschließlich natürlicher und landwirtschaftlicher Böden, der mit dem menschlichen und tierischen Wirt assoziierten sowie der Ozeane und anderer aquatischer Umgebungen – das ist ziemlich bemerkenswert”.

Mehrwert über Genomsequenzen hinaus

Viele der Daten waren aus Umweltproben generiert worden, die vom JGI im Rahmen des Community Science Program sequenziert worden waren, und waren bereits auf der Plattform Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M) des JGI verfügbar. Eloe-Fadrosh merkte an, dass es ein schönes Beispiel für das “Big-Data-Mining” sei, ein tieferes Verständnis der Daten zu erlangen und den Wert der Daten zu steigern, indem man sie öffentlich zugänglich macht.

Um die Bemühungen der Forscher zu würdigen, die die Probenahme durchgeführt hatten, wandte sich Eloe-Fadrosh in Übereinstimmung mit der JGI-Richtlinie zur Datennutzung an mehr als 200 Forscher auf der ganzen Welt. “Ich hielt es für wichtig, die beträchtlichen Anstrengungen zur Sammlung und Extraktion von DNA aus diesen Proben anzuerkennen, von denen viele aus einzigartigen, schwer zugänglichen Umgebungen stammen, und lud diese Forscher ein, als Teil des IMG-Datenkonsortiums Koautoren zu sein”, sagte sie.

Mit Hilfe dieses riesigen Datensatzes gruppierte Nayfach die MAGs in 18.000 Kandidaten-Artengruppen, von denen 70% neuartig waren, verglichen mit über 500.000 existierenden Genomen, die zu diesem Zeitpunkt verfügbar waren. “Wenn man über den Baum des Lebens schaut, ist es auffallend, wie viele unkultivierte Linien nur durch MAGs repräsentiert werden”, sagte er. “Obwohl diese Genom-Entwürfe unvollkommen sind, können sie dennoch viel über die Biologie und die Vielfalt der unkultivierten Mikroben verraten.

Forscherteams arbeiteten an mehreren Analysen, die sich das Genom-Repository zunutze machten, und das IMG/M-Team entwickelte mehrere Aktualisierungen und Funktionen, um den GEM-Katalog auszuwerten. (Sehen Sie sich dieses IMG-Webinar über Metagenom-Bins an, um mehr zu erfahren.) Eine Gruppe verminte den Datensatz für neuartige Sekundärmetabolite von Sekundärmetaboliten biosynthetischer Gencluster (BGCs) und erhöhte diese BGCs im IMG/ABC (Atlas der biosynthetischen Gencluster) um 31%. (Hören Sie sich diese Episode von JGI Natural Prodcast zum Thema Genom Mining an.) Nayfach arbeitete auch mit einem anderen Team an der Vorhersage von Wirts-Virus-Verbindungen zwischen allen Viren in IMG/VR (Virus) und dem GEM-Katalog und assoziierte 81.000 Viren – von denen 70% noch nicht mit einem Wirt assoziiert waren – mit 23.000 MAGs.

Modellierung eines neuen Weges für Metagenomik-Forscher

Aufbauend auf diesen Ressourcen entwickelte KBase, eine für Biologen und Bioinformatiker konzipierte multiinstitutionelle, kollaborative Umgebung zur Schaffung und Entdeckung von Wissen, Stoffwechselmodelle für Tausende von MGs. Die Modelle sind jetzt in einer öffentlichen Erzählung verfügbar, die gemeinsam benutzbare, reproduzierbare Arbeitsabläufe bietet. “Die Stoffwechselmodellierung ist eine Routineanalyse für isolierte Genome, wurde aber noch nicht im Maßstab für unkultivierte Mikroben durchgeführt”, sagte Eloe-Fadrosh, “und wir waren der Meinung, dass die Zusammenarbeit mit KBase einen Mehrwert über die Clusterbildung und Analyse dieser MAGs hinaus bringen würde.

“Allein das Einbringen dieses Datensatzes in die KBase hat einen unmittelbaren Wert, weil die Menschen die qualitativ hochwertigen

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