Die Aufdeckung unkultivierten Mikroben im menschlichen Darm: Menschlichen Darm microbiome dient als Modell, um zu demonstrieren, Wirksamkeit der computational tools

Ein Baum Wachstum ist davon abhängig, Nährstoffe aus dem Boden und Wasser, sowie der Mikroben, die auf und um die Wurzeln. Ähnlich einem menschlichen Gesundheit ist geprägt sowohl durch Umweltfaktoren und den Körper, die Wechselwirkungen mit dem mikrobiom, besonders im Darm. Genom-Sequenzen sind entscheidend für die Charakterisierung einzelner Mikroben und Verständnis für Ihre funktionalen Rollen. Jedoch haben frühere Studien haben geschätzt, dass nur 50 Prozent der Arten in den Darm mikrobiom haben ein sequenziertes Genom, zum Teil, weil viele Arten sind noch nicht kultiviert wurden für die Studie.

Diese Woche veröffentlicht in der Natur, Forscher des Department of Energy (DOE) des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), the Gladstone Institute, und die Chan-Zuckerberg Biohub präsentiert fast rund 61.000 mikrobielle Genome, wurden rechnerisch rekonstruiert aus 3,810 öffentlich verfügbaren menschlichen Darm metagenomen, die Datensätze aller genetischen material Gegenwart in einer mikrobiom-Probe. Die Metagenom-assemblierten genomen (MAGs) enthalten 2,058 bisher unbekannten Arten, wodurch sich die Anzahl der bekannten menschlichen Darm Spezies zu 4,558 und die Erhöhung der phylogenetischen Vielfalt der sequenzierten Darmbakterien von 50 Prozent.

Ein Vorbild für die großtechnische Kultivierung Bemühungen

Dies hilft die Frage zu beantworten, warum bestimmte Mikroben wurden nicht im Labor gezüchtet. Wissenschaftler haben bereits metagenomics und einzelzell-Genomik zu erkennen, die spezifischen metabolischen Fähigkeiten von unkultivierten Mikroben vorhanden in Umweltproben. „Jedoch, viele ökologische Gemeinschaften sind schlecht untersucht, es ist also nicht klar, ob oder nicht unkultivierten Organismen sind wirklich uncultivable“, sagte Stephen Nayfach, ein Wissenschaftler am Berkeley Lab, die Umwelt-Genomik und Systembiologie (EGSB) division und die Studie der erste Autor. „Der menschliche Darm, in Kontrast, ist intensiv mit vielen large-scale-Kultivierung Bemühungen, die darauf schließen lässt, dass viele der ‚wilden‘ unkultivierten Arten im menschlichen Darm sind schwer zu Kultur über aktuelle Ansätze.“

Durch den Vergleich der Genome rekonstruiert nicht kultivierbarer Spezies im Vergleich zu denen, die angebaut haben, das team festgestellt, dass nicht kultivierbarer Spezies‘ Genome sind etwa 20 Prozent kleiner als im Durchschnitt, und fehlen zahlreiche Wege für die Biosynthese von Fettsäuren, Aminosäuren und Vitamine. „Die Gene, die Häufig fehlen von unbebauten Darmbakterien möglicherweise gegenüber wichtigen Wachstums-Faktoren, die übersehen wurden, die in früheren Kultur-basierten Studien,“ Nayfach sagte.

Die Verbesserung der genomischen Ressourcen für die Globale Bevölkerung

Mit der Hilfe von einem neuen tool namens IGGsearch, das team verglich die microbiomes von Menschen mit 10 verschiedenen Krankheiten zu denen von gesunden Personen und fanden, dass fast 40 Prozent der Mikrobe-Krankheit Verbände umfassen eine Spezies, die nicht zuvor ein Genom. „Diese Krankheit-links verwendet werden, unsichtbar oder schwer zu erkennen“, sagte Katie Pollard, senior investigator an der Gladstone Institute und Biohub, und Co-Autor der Studie.

Eine neue Art in der Negativicutes Klasse, zum Beispiel, war stark erschöpft, in die Menschen, mit der Wirbelsäule entzündliche Erkrankung ankylosierende spondylitis (AS). „So WIE der patient, ich bin begeistert, dass wir endlich gewinnen ein mehr vollständiges Bild davon, wie die microbiome änderungen in dieser Krankheit,“ fügte Sie hinzu. Außerdem nutzte das team IGGsearch mikrobiom-Profilen zu bauen prädiktive Modelle für Krankheit und fand, dass die Vorhersagegenauigkeit war „deutlich verbessert“ im Vergleich zu bestehenden tools, die in Erster Linie quantifiziert die fülle der kultivierten Arten.

Pollard, der auch ein professor an der UC San Francisco, Hinzugefügt, dass, bis jetzt, mikrobiom genressourcen besonders geringer Dichte für Personen, die außerhalb von Nordamerika, Europa oder China. „Durch die Montage von genomen von metagenomen von unterschiedlichen Leuten, haben wir dazu beigetragen, diese Lücke zu schließen“, sagte Sie.

Die Ausweitung Technologien in die Bereiche

EGSB senior Wissenschaftler und ein team führen, Nikos Kyrpides, sagte, dass einige der Berechnungsmethoden und Analysen Nayfach entwickelt, die für diese Forschung derzeit eingesetzt werden, um damit eine von dem Joint Genome Institute (JGI) wegweisenden Projekten: bei der Analyse eine riesige Sammlung von anderen JGI-sequenziert MAGs aus den verschiedensten Umgebungen. Er fügte hinzu, dass diese Art der Analyse hängt von mehreren kritischen Faktoren ab: die Verfügbarkeit der mikrobiom-Daten; die Verfügbarkeit von Sequenzdaten in öffentlichen Archiven; und das fehlen von Daten, die Nutzung Einschränkungen, die aus der Gemeinschaft verwiesen, die in einer aktuellen Science-policy Papier, auf dem er und Katie Pollard sind co-Autoren.

Für Kyrpides, die Zusammenarbeit mit Gladstone und CZ Biohub die es seinem team ermöglichte, zu zeigen, die Reichweite der entwickelten Technologien in allen mikrobiom-Bereichen. „Dieses Projekt ist eine weitere hervorragende Möglichkeit, die aggregierte Daten aus mehreren Studien, die es ermöglichen kann, uns zu Fragen, mit weit reichenden Auswirkungen, die nicht beantwortet werden können mit jeder einzelnen Studie allein“, sagte er.