Исследование показало, что у 42% бактерий отсутствуют геномные данные

Исследователи из Объединенного института генома (JGI) Министерства энергетики США (DOE), пользовательского центра Управления науки DOE, расположенного в лаборатории Беркли, опубликовали исследование в журнале Science Advances, в котором оценивается текущее состояние микробного геномного биоразнообразия. Используя общедоступные данные о последовательности генома, полученные за последние три десятилетия, их исследование оценивает, какую часть микробного разнообразия мы знаем, и предлагает путь вперед к курированию и культивированию того, что еще неизвестно.

«Мы глубоко погрузились в более чем 1,8 миллиона бактериальных и архейных геномов, чтобы увидеть, какую часть их разнообразия мы на самом деле охватили», — сказал соавтор Дуньин Ву, член группы функциональной аннотации в группе микробиомных данных JGI. «Оказывается, несмотря на все геномы, которые мы секвенировали, мы только поцарапали поверхность».

По словам соавтора Рехи Шешадри, это исследование — призыв к возрождению искусства практической микробиологии и экспериментальной проверки.

Микробы управляют миром, играя ключевые роли в регулировании глобальных циклов питательных веществ. Информация, полученная в результате понимания взаимодействия между микробами, хозяевами и их средой, может быть применена в различных областях исследований, включая сельское хозяйство, биотопливо и биопродукты, а также медицину. Продираясь через 30 лет данных секвенирования, команда в составе Ву, Сешадри, Никоса Кирпидеса и Натальи Ивановой провела перепись общедоступных бактериальных и архейных последовательностей. Кирпидес возглавляет группу по микробиомным данным JGI, а Иванова возглавляет группу функциональной аннотации.

С филогенетическим разнообразием в качестве репрезентативной меры биоразнообразия они использовали пять универсально сохраняющихся, кодирующих белок маркерных генов на почти 2 миллионах геномов, включая изоляты, собранные метагеномом геномы (MAG) с различными показателями качества, представляющие потенциальные геномы, и почти 44 000 метагеномов. Все данные находятся в открытом доступе в коллекции GenBank Национального центра биотехнологической информации (NCBI) и в базе данных Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M) JGI.

В своем анализе команда обнаружила, что геномы бактериальных изолятов представляют 9,73% от общего оценочного разнообразия доступных наборов данных. Попытки извлечь MAG путем извлечения данных непосредственно из образцов окружающей среды на протяжении многих лет значительно расширили известное разнообразие микробных геномов, составив почти 49% от общего оценочного бактериального разнообразия. Команда консервативно подсчитала, что около 42% бактериального разнообразия не имеют геномного представления в общедоступных базах данных.

За последние несколько десятилетий достижения в области технологий секвенирования привели к тому, что обилие микробных геномов стало доступно мировому исследовательскому сообществу. В аналогичном анализе для Archaea группа обнаружила, что изолированные геномы составляют всего 6,55%, в то время как MAG составляют около 57% предполагаемого разнообразия доступных наборов данных. Это оставляет 36% разнообразия архей без геномного представления.

«Когда дело доходит до выделения геномных данных, наших реальных контрольных камней, мы просто царапаем пресловутую чашку Петри», — сказал Сешадри. «Это напоминание о срочности выращивания новых видов микроорганизмов».

Автор-корреспондент Иванова сказала, что JGI продолжает работать в направлении увеличения геномного представления бактериального и архейного разнообразия, проливая свет на неизвестное микробное пространство. Хотя MAG значительно расширили известное разнообразие микробных геномов в наборах данных, однако, команда добавила, что эта информация по-прежнему выводится вычислительным путем. Необходимы экспериментальные исследования культивируемых изолятов, чтобы преобразовать потенциальные последствия в прикладную науку, способствуя устойчивой биоэкономике.

«Хотя вычислительно полученные MAG стали революционным инструментом для микробиологии, это призыв к балансу», — добавила Сешадри. Она отметила, что метагеномные наборы данных, используемые в этом исследовании, могут помочь исследователям повысить свои шансы на восстановление конкретных видов изолятов для культивирования. «Мы нарисовали карту сокровищ», — сказала она. «По сути, мы можем указать конкретные образцы окружающей среды, куда люди могут пойти и реинвестировать время и усилия в восстановление».