Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Проект "Микробиом Земли"
EMP-green-small.png

Проект « Микробиом Земли» (EMP) - это инициатива, основанная Робом Найтом в 2010 году для сбора природных образцов и анализа микробного сообщества по всему миру.

Микробы очень многочисленны, разнообразны и играют важную роль в экологической системе. [ какой? ] Например, океан содержит примерно 1,3 × 10 28 архейных клеток, 3,1 × 10 28 бактериальных клеток и 1 × 10 30 вирусных частиц. [1] [2] Бактериальное разнообразие, мера количества типов бактерий в сообществе, оценивается примерно в 160 на миллилитр океанской воды, 6 400–38 000 на 1 г почвы и 70 на 1 мл воды. канализационные работы. [2] Еще по состоянию на 2010 г., было подсчитано, что общие усилия по секвенированию ДНК окружающей среды привели к образованию менее 1 процента общей ДНК, обнаруженной в литре морской воды или грамме почвы [3], а конкретные взаимодействия между микробами в значительной степени неизвестны.

EMP направлен на обработку до 200000 образцов в различных биомах , создание полной базы данных микробов на Земле для характеристики окружающей среды и экосистем по микробному составу и взаимодействию. Используя эти данные, можно предложить и проверить новые экологические и эволюционные теории. [4]

Актеры [ править ]

Неправительственный международный проект был запущен в 2010 году. По состоянию на январь 2018 года в него входило 161 учреждение, все из которых являются университетами и учреждениями, входящими в их состав, за исключением IBM Research и Atlanta Zoo . Краудсорсинг пришло от Фонда Джона Темплтона , в Кека фонда , в Национальной лаборатории Аргон в США кафедра энергетики, Научного Совета Австралии , Тульского фонда и Фонда Сэмюэля Лоуренс. Компании оказали поддержку в натуральной форме, включая MO BIO Laboratories, Luca Technologies, Eppendorf, Boreal Genomics, Illumina , Roche и Integrated DNA Technologies.. [5]

Цели [ править ]

Основная цель [ кем? ] Проекта «Микробиом Земли» (EMP) был [ когда? ] для изучения микробного состава во многих средах по всей планете, во времени и пространстве, используя стандартный набор протоколов. Разработка стандартизованных протоколов жизненно важна, поскольку вариации в извлечении образцов, амплификации, секвенировании и анализе вносят систематические ошибки, которые делают недействительными сравнения структуры микробного сообщества. [6]

Другая важная цель - определить, как на реконструкцию микробных сообществ влияют аналитические ошибки. Темпы технического прогресса высоки, и необходимо понимать, как данные, полученные с использованием обновленных протоколов, будут сравниваться с данными, собранными с использованием более ранних методов. Информация из этого проекта будет заархивирована в базе данных для облегчения анализа. Другие результаты будут включать глобальный атлас функций белков и каталог повторно собранных геномов, классифицированных по их таксономическому распределению. [6]

Методы [ править ]

Стандартные протоколы отбора проб, экстракции ДНК, амплификации 16S рРНК, амплификации 18S рРНК и метагеномики « дробовика » были разработаны или находятся в стадии разработки. [7]

Коллекция образцов [ править ]

Образцы будут собираться с использованием соответствующих методов из различных сред, включая глубокий океан, пресноводные озера, песок пустыни и почву. По возможности будут использоваться стандартизированные протоколы сбора, чтобы результаты были сопоставимы. Микробы из природных образцов не всегда можно культивировать. Из-за этого будут использоваться метагеномные методы для секвенирования всей ДНК или РНК в образце независимо от культуры.

Влажная лаборатория [ править ]

В мокрой лаборатории обычно требуется выполнить ряд процедур для отбора и очистки микробной части образцов. Процесс очистки может сильно отличаться в зависимости от типа образца. ДНК будет извлечена из частиц почвы или микробы будут сконцентрированы с использованием ряда методов фильтрации. Кроме того, для увеличения выхода ДНК можно использовать различные методы амплификации. Например, некоторые исследователи предпочитают амплификацию с множественным смещением , не основанную на ПЦР . Экстракция ДНК, использование праймеров и протоколы ПЦР - все это области, которые во избежание систематической ошибки необходимо выполнять в соответствии с тщательно стандартизованными протоколами. [6]

Последовательность [ править ]

В зависимости от биологического вопроса исследователи могут выбрать секвенирование метагеномного образца, используя два основных подхода. Если биологический вопрос, который необходимо решить, заключается в том, какие типы организмов присутствуют и в каком количестве, предпочтительным подходом будет нацеливание и амплификация конкретного гена, который является высококонсервативным среди представляющих интерес видов. Ген рибосомной РНК 16S для бактерий и рибосомальная РНК 18SГен для простейших часто используется в качестве генов-мишеней для этой цели. Преимущество нацеливания на конкретный ген состоит в том, что ген можно амплифицировать и секвенировать с очень высоким охватом. Этот подход называется «глубоким секвенированием», который позволяет идентифицировать редкие виды в образце. Однако этот подход не позволит собрать какие-либо целые геномы и не предоставит информацию о том, как организмы могут взаимодействовать друг с другом. Второй подход называется метагеномикой дробовика, при котором вся ДНК в образце разрезается и случайные фрагменты секвенируются. В принципе, этот подход позволяет собрать целые микробные геномы и сделать вывод о метаболических отношениях. Однако, если большинство микробов не охарактеризованы в данной среде, de novoсборка будет дорогостоящей в вычислительном отношении. [8]

Анализ данных [ править ]

EMP предлагает стандартизировать биоинформатические аспекты обработки образцов. [6]

Анализ данных обычно включает следующие шаги: 1) Очистка данных. Предварительная процедура для очистки любых считываний с низкими показателями качества, удаление любых последовательностей, содержащих «N» или неоднозначные нуклеотиды, и 2) присвоение таксономии последовательностям, что обычно выполняется с использованием таких инструментов, как BLAST [9] или RDP . [10] Очень часто обнаруживаются новые последовательности, которые нельзя сопоставить с существующей таксономией. В этом случае таксономия происходит от филогенетического дерева, которое создается с новыми последовательностями и пулом близкородственных известных последовательностей. [11]

В зависимости от технологии секвенирования и основного биологического вопроса могут использоваться дополнительные методы. Например, если последовательность операций чтения слишком коротка, чтобы вывести какую-либо полезную информацию, потребуется сборка. Сборка также может быть использована для создания целых геномов, которые предоставят полезную информацию о видах. Кроме того, если необходимо понять метаболические взаимоотношения внутри микробного метагенома, последовательности ДНК необходимо транслировать в аминокислотные последовательности, например, с использованием таких инструментов прогнозирования генов, как GeneMark [12] или FragGeneScan. [13]

Вывод проекта [ править ]

Четыре ключевых результата ПУОС: [14]

  • Все первичные данные, полученные в рамках проекта «Микробиом Земли», независимо от степени их достоверности, будут храниться в централизованной базе данных под названием «Генный атлас» (GA). GA будет иметь данные о последовательности, аннотации и метаданные окружающей среды. Будут включены как известные, так и неизвестные последовательности, например «Темная материя», в надежде, что, учитывая время, неизвестные последовательности в конечном итоге могут быть охарактеризованы.
  • Собранные геномы, аннотированные с помощью автоматизированного конвейера, будут храниться в «Собранных геномах микробиома Земли» (EM-AG) в общедоступных репозиториях. Это позволит провести сравнительный геномный анализ.
  • Интерактивная визуализация данных будет обеспечиваться через «Портал визуализации микробиома Земли» (EM-VIP), который позволит просматривать взаимосвязь между микробным составом, параметрами окружающей среды и геномной функцией.
  • Реконструированные метаболические профили будут предложены в рамках «Метаболической реконструкции микробиома Земли» (EMMR).

Проблемы [ править ]

Большие объемы данных о последовательностях, полученные в результате анализа различных микробных сообществ, сложно хранить, систематизировать и анализировать. Проблема усугубляется короткими считываниями, обеспечиваемыми платформой высокопроизводительного секвенирования, которая будет стандартным инструментом, используемым в проекте EMP. Потребуются улучшенные алгоритмы, улучшенные инструменты анализа, огромные объемы компьютерной памяти и доступ к многим тысячам часов суперкомпьютерного времени. [8]

Другой проблемой будет большое количество ожидаемых ошибок секвенирования. Технологии секвенирования нового поколения обеспечивают огромную пропускную способность, но более низкую точность, чем старые методы секвенирования. При секвенировании одного генома присущая этим методам более низкая точность гораздо более чем компенсируется способностью покрывать весь геном несколько раз в противоположных направлениях из нескольких начальных точек, но эта возможность не обеспечивает повышения точности при секвенировании разнообразной смеси. геномов. Возникает вопрос, как отличить ошибки секвенирования от реального разнообразия собранных микробных образцов? [8]

Несмотря на выпуск стандартных протоколов, ожидаются систематические отклонения от лаборатории к лаборатории. Необходимость амплификации ДНК из образцов с низкой биомассой внесет дополнительные искажения в данные. Сборка геномов даже доминирующих организмов в разнообразной выборке организмов требует гигабайт данных о последовательностях. [8]

EMP должен избегать проблемы, которая стала широко распространенной в общедоступных базах данных последовательностей. С развитием технологий высокопроизводительного секвенирования многие последовательности попадают в общедоступные базы данных без экспериментально определенной функции, но аннотированы на основе наблюдаемых гомологий с известной последовательностью. Первая известная последовательность используется для аннотирования первой неизвестной последовательности, но происходит то, что первая неизвестная последовательность используется для аннотирования второй неизвестной последовательности и так далее. Гомология последовательностей - лишь умеренно надежный предиктор функции. [15]

См. Также [ править ]

  • Микробиом
  • Проект микробиома человека
  • Метагеномика
  • Флора кожи

Заметки [ править ]

  1. ^ Suttle, CA (2007). «Морские вирусы - основные игроки глобальной экосистемы». Обзоры природы микробиологии . 5 (10): 801–812. DOI : 10.1038 / nrmicro1750 . PMID  17853907 . S2CID  4658457 .
  2. ^ а б Кертис, Т.П .; Слоун, WT; Сканнелл, JW (2002). «Оценка прокариотического разнообразия и его границ» . Труды Национальной академии наук . 99 (16): 10494–10499. DOI : 10.1073 / pnas.142680199 . PMC 124953 . PMID 12097644 .  
  3. ^ Гилберт, JA; Мейер, Ф .; Antonopoulos, D .; Balaji, P .; Браун, CT; Браун, CT; Desai, N .; Eisen, JA; Evers, D .; Филд, Д .; Feng, W .; Huson, D .; Jansson, J .; Knight, R .; Knight, J .; Kolker, E .; Константиндис, К .; Костка, Дж .; Kyrpides, N .; MacKelprang, R .; McHardy, A .; Айва, C .; Raes, J .; Sczyrba, A .; Тень, А .; Стивенс Р. (2010). «Отчет о встрече: семинар по метагеномике терабаз и видение проекта микробиома Земли» . Стандарты геномных наук . 3 (3): 243–248. DOI : 10.4056 / sigs.1433550 . PMC 3035311 . PMID 21304727 .  
  4. ^ Гилберт, JA; O'Dor, R .; King, N .; Фогель, TM (2011). «Важность метагеномных исследований для микробной экологии: или почему Дарвин был бы метагеномным ученым» . Микробная информатика и эксперименты . 1 (1): 5. DOI : 10,1186 / 2042-5783-1-5 . PMC 3348666 . PMID 22587826 .  
  5. ^ Проект «Микробиом Земли» - это систематическая попытка охарактеризовать глобальное таксономическое и функциональное разнообразие микробов на благо планеты и человечества. Earth Microbiome Project 2018, данные получены 3 января 2018 г.
  6. ^ а б в г Гилберт, JA; Мейер, Ф. (2012). «Моделирование микробиома Земли» . Журнал Microbe . 7 (2): 64–69. DOI : 10,1128 / microbe.7.64.1 .
  7. ^ "Проект Земного Микробиома / Стандартные Протоколы" . Архивировано из оригинала на 2012-03-16 . Проверено 7 марта 2012 .
  8. ^ а б в г Янссон, Джанет (2011). "Навстречу" Тера-Терра ": терабазное секвенирование наземных метагеномов" . Журнал Microbe . 6 (7): 309–15. DOI : 10,1128 / microbe.6.309.1 .
  9. ^ "BLAST: Базовый инструмент поиска местного выравнивания" .
  10. ^ «Проект базы данных рибосом» . Проверено 6 марта 2012 .
  11. ^ Мейер, Ф .; Paarmann, D .; d'Souza, M .; Olson, R .; Стекло, ЭМ; Кубал, М .; Paczian, T .; Родригес, А .; Stevens, R .; Wilke, A .; Wilkening, J .; Эдвардс, РА (2008). «RAST-сервер метагеномики - общедоступный ресурс для автоматического филогенетического и функционального анализа метагеномов» . BMC Bioinformatics . 9 : 386. DOI : 10,1186 / 1471-2105-9-386 . PMC 2563014 . PMID 18803844 .  
  12. ^ «GeneMark - Бесплатное программное обеспечение для предсказания генов» . Проверено 6 марта 2012 .
  13. ^ "FragGeneScan" . Проверено 6 марта 2012 .
  14. ^ «Проект микробиома Земли / Определение задач» . Архивировано из оригинала на 2012-03-16 . Проверено 7 марта 2012 .
  15. ^ Гилберт, JA; Дюпон, CL (2011). «Микробная метагеномика: за пределами генома». Ежегодный обзор морской науки . 3 : 347–371. Bibcode : 2011ARMS .... 3..347G . DOI : 10.1146 / annurev-marine-120709-142811 . PMID 21329209 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Проект "Микробиом Земли"
  • Системная биология и микробиом
  • Страница проекта микробиома человека NIH США
  • Международный консорциум микробиома человека
  • Канадская инициатива по микробиому CIHR
  • Microbiome.org : сайт вики-портала о микробиоме.