在空氣中，在海洋表面下和陸地上，微生物是調(diào)節(jié)地球大部分生物地球化學(xué)循環(huán)的微小但強(qiáng)大的力量。為了更好地理解他們的角色，科學(xué)家們努力識(shí)別這些微生物并確定他們的個(gè)人貢獻(xiàn)。雖然測序技術(shù)的進(jìn)步使得研究人員能夠訪問數(shù)千種微生物的基因組并將其公之于眾，但沒有發(fā)生類似的轉(zhuǎn)變，即將功能分配給未發(fā)現(xiàn)的基因。

為了幫助克服這一瓶頸，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家，包括美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的研究人員，開發(fā)了一種工作流程，可以進(jìn)行大規(guī)模的全基因組分析。在許多條件下的基因重要性這項(xiàng)名為“數(shù)千種未知功能細(xì)菌基因的突變表型”的研究發(fā)表在Nature雜志上，是迄今為止發(fā)表的最大的細(xì)菌功能基因組學(xué)研究。

伯克利實(shí)驗(yàn)室生物科學(xué)領(lǐng)域的資深作者和生物學(xué)家Adam Deutschbauer說：“這是第一次嘗試將功能分配給未知功能的細(xì)菌基因的大型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)性嘗試。”“我們正在解決生物學(xué)反對(duì)和認(rèn)識(shí)的問題：它很容易進(jìn)行測序，但我們目前無法為通過測序鑒定的大多數(shù)基因分配自信的功能。我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了其他研究人員可以用來制作的錨點(diǎn)。關(guān)于蛋白質(zhì)功能的更明智的推斷。“

通過對(duì)來自不同屬的近三十種細(xì)菌的測試，該工作流程結(jié)合了高通量遺傳學(xué)和比較基因組學(xué)，以鑒定具有先前未知功能的數(shù)千個(gè)基因的突變表型。

了解地球遺傳潛力的技術(shù)

該團(tuán)隊(duì)研究了32種細(xì)菌，包括促進(jìn)植物生長的細(xì)菌和與生物燃料生產(chǎn)相關(guān)的藍(lán)細(xì)菌，以及參與生物修復(fù)的細(xì)菌。“通常，研究人員致力于從有限數(shù)量的'主力'細(xì)菌中對(duì)個(gè)體基因組進(jìn)行功能分析，”JGI科學(xué)家Matt Blow說，該研究的共同作者。“這是因?yàn)榕c高通量測序相比，功能分析方法的能力有限。在這里，您可以同時(shí)獲得32種不同細(xì)菌的數(shù)據(jù)，從而捕獲更多的微生物多樣性。”

為了更有效地為每種細(xì)菌生成突變體文庫，該團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了DNA條形碼測序方法，稱為RB-TnSeq(隨機(jī)條形碼轉(zhuǎn)座子測序)。“這項(xiàng)工作的意義在于它可以通過適當(dāng)?shù)耐顿Y和協(xié)調(diào) - 與其他方法結(jié)合 - 進(jìn)行擴(kuò)展，從而為了解地球的遺傳潛力帶來實(shí)質(zhì)性益處，”資深教授科學(xué)家和共同通訊作者Adam Arkin說。 。

“該項(xiàng)目背后的技術(shù)旨在闡明我們?cè)谔镩g收集的所有生物的遺傳功能，并了解在不同環(huán)境中生物體健康的重要性，”他補(bǔ)充說，他是伯克利實(shí)驗(yàn)室ENIGMA科學(xué)重點(diǎn)領(lǐng)域的聯(lián)合主任。 ，美國能源部科學(xué)辦公室規(guī)模最大，運(yùn)行時(shí)間最長的環(huán)境生物學(xué)計(jì)劃。“我們相信，要了解手段 - 給定適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù) - 您應(yīng)該能夠預(yù)測，控制和設(shè)計(jì)感興趣的系統(tǒng)中的行為。”

保守表型提示功能關(guān)聯(lián)

Deutschbauer指出，由此產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)集使團(tuán)隊(duì)能夠從生物體內(nèi)的保守表型中收集見解，并尋找基因之間的共同適應(yīng)模式，兩種基因在所有條件下具有相似的表型模式的情況，建議的相關(guān)性他們可能是同一道路的一部分。例如，他們發(fā)現(xiàn)具有未表征的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域UPF0126的基因?qū)τ?1種不同細(xì)菌中甘氨酸的生長是重要的，這表明該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域參與將甘氨酸運(yùn)輸穿過細(xì)胞膜。他補(bǔ)充說，研究這種保守的關(guān)聯(lián)，證明了鑒定多種細(xì)菌物種中同源基因的表型的價(jià)值。

“之前不可能對(duì)細(xì)菌進(jìn)行比較功能基因組學(xué)研究，因?yàn)榇笮瓦z傳數(shù)據(jù)集僅適用于少數(shù)細(xì)菌，而確實(shí)存在的那些通常不會(huì)使用相同的技術(shù)，相同的方法或相同的元數(shù)據(jù)生成，因此這很難做比較，“他說。“盡管我們通過實(shí)驗(yàn)研究了與自然界中存在的多樣性相比較少的細(xì)菌，但我們的數(shù)據(jù)與所有細(xì)菌相關(guān)。例如，大約12%的細(xì)菌中所有未表征的蛋白質(zhì)都具有同源蛋白質(zhì)，具有功能性表型關(guān)聯(lián)。我們的數(shù)據(jù)集。“

該數(shù)據(jù)集可公開訪問fit.genomics.lbl.gov進(jìn)行比較分析，該研究的主要作者是Morgan Price開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)工作臺(tái)，他還開發(fā)了PaperBlast等強(qiáng)大的工具來幫助解釋結(jié)果。

Arkin還看到了將這一數(shù)據(jù)集整合到JGI的IMG / M系統(tǒng)和DOE系統(tǒng)生物知識(shí)庫(KBase)等系統(tǒng)的未來收益，這是第一個(gè)允許用戶在一個(gè)單一內(nèi)容上傳，分析和共享信息的大規(guī)模生物信息系統(tǒng)。綜合環(huán)境。

“這些數(shù)據(jù)集為數(shù)據(jù)科學(xué)創(chuàng)新提供了絕佳的機(jī)會(huì)來預(yù)測生物功能，”KBK首席執(zhí)行官兼首席調(diào)查員Arkin說。“在KBase，我們已經(jīng)與JGI合作，將這樣的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)發(fā)育，同源性和化學(xué)相似性關(guān)系整合在一起，在生命之樹中傳播這些信息，并投射，例如，改進(jìn)生物體和群落的代謝模型，以便我們可以預(yù)測最能影響增長的條件。“