大规模比较分析导致生物合成基因簇的鉴定

地球上的微生物多样性是巨大的，但其中大部分仍然未知。十多年来，世界各地的研究人员与美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)合作，该研究所是位于劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的DOE科学用户设施办公室，以填补这些知识的差距。

在2022年11月11日发表于CellGenomics的一项研究中，该团队专注于放线菌(Actinomycetota)，这是一组具有不同代谢活动的细菌。在海洋和陆地环境中发现的放线菌在碳和氮循环中发挥作用，分解植物质量(想想生物燃料)，增强植物健康，引起疾病，并产生抗生素。尽管如此，该团队估计基因组信息仅适用于现存放线菌多样性的一小部分。

该文章添加到作为细菌和古细菌基因组百科全书(GEBA)计划的一部分生成的纲要中。“该项目通过为数千个分支填充基因组信息，帮助定义了微生物生命树的当前形状，”该研究的资深作者兼JGI微生物组注释小组负责人NataliaIvanova说。

许多这些细菌和古细菌基因组序列都是使用JGI开创的技术生成的，包括单细胞基因组学和宏基因组学。GEBA计划还利用了位于德国布伦瑞克的LeibnizInstituteDSMZ-GermanCollectionofMicroorganismsandCellCulturesGmbH提供的大量类型菌株分离物。

放线菌中的BGC库

多年来，已经从精选的DSMZ分离株中对3,400多个基因组进行了测序，该团队为此提供了高质量的DNA。这些菌株已在生理学和酶学方面进行了表征，并描述了它们的活性如何影响生化反应。仅就本文而言，就从DSMZ型菌株沉积物中对600多个基因组(称为“GEBA-Actino”)进行了测序。所有这些基因组序列和比较它们的工具都可以在JGI的综合微生物基因组和微生物组(IMG/M)门户网站上找到。

作为比较分析的一部分，824个新的GEBA-Actino基因组序列与近5,000个公开可用的序列和1,100个宏基因组组装基因组(MAG)相结合，这些基因组是在先前的研究中从测序的环境样本中重建的。根据JGI的战略举措，该团队分析了80,000多个生物合成基因簇(BGC)以合成次级代谢物。

这些专门的化合物使生物体能够对环境压力做出反应或调节彼此之间的相互作用(有时是拮抗的，通过抗菌剂)——并且可以在许多领域都有应用。该团队发现，猖獗的水平基因转移和频繁的基因丢失塑造了大多数基因组中的BGC库。BGC数据也将很快包含在JGI的次级代谢协作实验室(SMC)门户网站(smc.jgi.lbl.gov)中。

分离基因组的独特价值

该研究中的一个反复断言是分离基因组与未培养类群的基因组相比的独特价值。将来自环境序列片段的MAG拼凑在一起可以产生高质量但不完整的基因组序列，这可能会使分析产生偏差。MAG还可以代表单个菌株崩溃的种群组合，而这些问题在参考分离株中并不常见。

“特别是对于次级代谢物的发现，这是一个关于它们局限性的警示故事;对高质量分离基因组的需求是明确的，”该研究的第一作者RekhaSeshadri说。“即使有人对放线菌不可知，我们也希望对新谱系样本来源的分析能引起人们对针对未充分研究的环境样本的培养工作的兴趣。即使是应用于相对易处理的样本(如湖泊和河流)的传统培养方法也有助于填补空白”她补充道。

DSMZ不仅保留了享誉国际的标准化培养物收藏，研究人员可以从中轻松获取用于后续工作的培养物，而且还维护着各种生物信息学工具和全面的精选数据库，包括命名和基因组信息以及关于生物多样性的重要描述性元数据每个菌株。

“这是JGI和DSMZ之间非常富有成效的合作，不仅产生了宝贵的序列资源来补充DSMZ的大量菌株资源，而且还产生并支持了许多具有高影响力的出版物，”负责生产的MarkusGöker说。DSMZ的GEBA-Actino和类似项目的基因组DNA。