Опубликованные на этой неделе в журнале Nature, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (DOE), Института Гладстона и Биохаба Чана-Цукерберга представили около 61000 микробных геномов, которые были реконструированы с помощью вычислений из 3810 общедоступных метагеномов кишечника человека. , которые представляют собой наборы данных всего генетического материала, присутствующего в образце микробиома. Геномы, собранные метагеномами (MAG), включали 2058 ранее неизвестных видов, в результате чего количество известных видов кишечника человека достигло 4558 и увеличилось филогенетическое разнообразие секвенированных кишечных бактерий на 50 процентов.
Образцовое сообщество для крупномасштабных усилий по культивированию
Эта работа помогает ответить на вопрос, почему определенные микробы не культивировались в лаборатории. Ученые ранее использовали метагеномику и одноклеточную геномику, чтобы определить специфические метаболические возможности некультивируемых микробов, присутствующих в образцах окружающей среды. «Однако многие экологические сообщества плохо изучены, поэтому неясно, действительно ли некультивируемые организмы нельзя культивировать», – сказал Стивен Найфах, ученый из отдела экологической геномики и системной биологии (EGSB) лаборатории Беркли и первый автор исследования. «Человеческий кишечник, напротив, интенсивно изучается с помощью многих крупномасштабных попыток культивирования, что свидетельствует 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 витаминов. «Гены, которые обычно отсутствуют у некультивируемых кишечных бактерий, могут указывать на важные факторы роста, которые были упущены из виду в предыдущих исследованиях на основе культур», – 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, у которых ранее не было генома. «Раньше эти связи с болезнями были невидимы или их было трудно обнаружить», – сказала Кэти Поллард, старший научный сотрудник Gladstone Institutes и Biohub и соавтор исследования.
Например, один новый вид в классе Negativicutes был сильно истощен у людей с воспалительным заболеванием позвоночника – анкилозирующим спондилитом (AS). «Как пациент с АС, я очень рада, что мы, наконец, получаем более полную картину того, как микробиом меняется при этом заболевании», – добавила она.
Кроме того, команда использовала профили микробиома IGGsearch для построения моделей прогнозирования заболеваний и обнаружила, что точность прогнозов была «значительно улучшена» по сравнению с существующими инструментами, которые в первую очередь количественно определяли численность культивируемых видов.
Поллард, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско, добавил, что до сих пор геномные ресурсы микробиома были особенно скудными 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 и руководитель группы EGSB 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 других MAG-секвенированных JGI. из разных сред.
Он добавил, что этот тип анализа зависит от нескольких критических факторов: доступности данных микробиома; наличие данных о последовательностях в публичных архивах; и отсутствие каких-либо ограничений на использование данных со стороны сообщества, как указано в недавнем научном политическом документе, в котором он и Кэти Поллард являются соавторами.
Для Кирпидеса сотрудничество с Gladstone и CZ Biohub позволило его команде продемонстрировать широкие возможности технологий, разработанных во всех областях микробиома. «Этот проект – еще одна отличная демонстрация, в которой собраны данные из нескольких исследований, которые могут позволить нам ответить на вопросы с далеко идущими последствиями, на которые нельзя ответить, используя только какое-либо отдельное исследование», – сказал он.