Рост дерева зависит от питательных веществ из почвы и воды, а также от микробов внутри, на корнях и вокруг них. Точно так же здоровье человека формируется как факторами окружающей среды, так и взаимодействием организма с микробиомом, особенно в кишечнике. Последовательности генома имеют решающее значение для характеристики отдельных микробов и понимания их функциональных ролей. Однако предыдущие исследования показали, что только 50 процентов видов в микробиоме кишечника имеют секвенированный геном, отчасти потому, что многие виды еще не культивировались для изучения.
Опубликовано на этой неделе в журнале Nature, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (DOE), Института Гладстона и Биохаба Чана-Цукерберга представили почти 61 000 микробных геномов, которые были реконструированы с помощью вычислений. из 3 810 общедоступных метагеномов кишечника человека, которые представляют собой наборы данных всего генетического материала, присутствующего в образце микробиома. Геномы, собранные с помощью метагенома (MAG), включали 2058 ранее неизвестных видов, в результате чего число известных видов кишечника человека достигло 4558, а филогенетическое разнообразие секвенированных кишечных бактерий увеличилось на 50 процентов.
Образцовое сообщество для крупномасштабных культурных мероприятий
Эта работа помогает ответить на вопрос, почему некоторые микробы не культивируются в лаборатории. Ученые ранее использовали метагеномику и геномику отдельных клеток, чтобы определить специфические метаболические способности некультивируемых микробов, присутствующих в образцах окружающей среды.«Однако многие экологические сообщества плохо изучены, поэтому неясно, действительно ли некультивируемые организмы непригодны для культивирования», - сказал Стивен Найфах, ученый из отдела экологической геномики и системной биологии лаборатории Беркли (EGSB) и первый автор исследования. «Человеческий кишечник, напротив, интенсивно изучается с помощью многих крупномасштабных усилий по культивированию, что говорит о том, что многие из «диких», некультивируемых видов в кишечнике человека трудно культивировать с использованием современных подходов».
Сравнивая реконструированные геномы некультивируемых видов с теми, которые были культивированы, команда обнаружила, что геномы некультивируемых видов в среднем примерно на 20 процентов меньше, и в них отсутствуют многочисленные пути биосинтеза жирных кислот, аминокислот., и витамины. «Гены, которые обычно отсутствуют у некультивируемых кишечных бактерий, могут указывать на важные факторы роста, которые не учитывались в предыдущих культуральных исследованиях», - сказал Найфах.
Улучшение геномных ресурсов для населения мира
С помощью нового инструмента под названием IGGsearch команда сравнила микробиомы людей с 10 различными заболеваниями с микробиомами здоровых людей и обнаружила, что почти 40 процентов ассоциаций микробов и болезней связаны с видами, которых ранее не было. геном. «Раньше эти связи между болезнями были невидимыми или их было трудно обнаружить», - говорит Кэти Поллард, старший исследователь Институтов Гладстона и Biohub и один из авторов исследования..
Один новый вид в классе Negativicutes, например, был сильно истощен у людей с анкилозирующим спондилитом (АС) с воспалительным заболеванием позвоночника. «Как пациент с АС, я очень рада, что мы наконец-то получили более полную картину того, как микробиом меняется при этом заболевании», - добавила она. Кроме того, команда использовала профили микробиома IGGsearch для построения прогностических моделей заболеваний и обнаружила, что точность прогнозирования «значительно улучшилась» по сравнению с существующими инструментами, которые в первую очередь количественно оценивали численность культивируемых видов.
Поллард, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско, добавил, что до сих пор геномные ресурсы микробиома были особенно скудны для людей, живущих за пределами Северной Америки, Европы или Китая. «Собирая геномы из метагеномов разных людей, мы помогли закрыть этот пробел», - сказала она.
Распространение технологий на области микробиома
Старший научный сотрудник EGSB и руководитель группы Никос Кирпидес сказал, что несколько вычислительных методов и анализов, разработанных Найфахом для этого исследования, в настоящее время используются для реализации одного из новаторских проектов Объединенного института генома (JGI): анализа огромной коллекции другие JGI-секвенированные MAG из разных сред. Он добавил, что этот тип анализа зависит от нескольких критических факторов: наличия данных о микробиоме; наличие данных о последовательности в публичных архивах; и отсутствие каких-либо ограничений на использование данных со стороны сообщества, как указано в недавнем политическом документе Science, соавторами которого являются он и Кэти Поллард.
Для Kyrpides сотрудничество с Gladstone и CZ Biohub позволило его команде продемонстрировать широкий спектр технологий, разработанных во всех областях микробиома. «Этот проект является еще одной отличной демонстрацией того, что агрегированные данные из нескольких исследований могут позволить нам решать вопросы с далеко идущими последствиями, на которые нельзя ответить, используя одно отдельное исследование», - сказал он..