Die mikrobielle Vielfalt des Planeten ist immens, doch vieles davon bleibt unbekannt. Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten Forscher auf der ganzen Welt mit dem US Department of Energy (DOE) Joint Genome Institute (JGI), einer DOE Office of Science User Facility, die sich im Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) befindet, zusammen, um diese auszufüllen Wissenslücken.
In einer am 11. November 2022 veröffentlichten Studie in Zellgenomikkonzentrierte sich das Team auf Actinobakterien (Actinomycetota), eine Gruppe von Bakterien mit vielfältigen Stoffwechselaktivitäten. Aktinobakterien, die in marinen und terrestrischen Umgebungen vorkommen, spielen eine Rolle im Kohlenstoff- und Stickstoffkreislauf, bauen Pflanzenmasse ab (denken Sie an Biokraftstoffe), verbessern die Pflanzengesundheit, verursachen Krankheiten und produzieren Antibiotika. Dennoch schätzt das Team, dass genomische Informationen nur für einen Bruchteil der vorhandenen Vielfalt von Aktinobakterien verfügbar sind.
Der Artikel ergänzt das Kompendium, das im Rahmen der Initiative Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea (GEBA) erstellt wurde. „Dieses Projekt hat dazu beigetragen, die aktuelle Form des mikrobiellen Lebensbaums zu definieren, indem genomische Informationen für Tausende von Zweigen ausgefüllt wurden“, sagte Natalia Ivanova, leitende Autorin der Studie und Leiterin der Microbiome Annotation Group des JGI.
Viele dieser bakteriellen und archaealen Genomsequenzen wurden mit Techniken generiert, die das JGI entwickelt hat, darunter Einzelzellgenomik und Metagenomik. Die GEBA-Initiative hat auch eine sehr große Sammlung von Typ-Stamm-Isolaten genutzt, die vom Leibniz-Institut DSMZ – Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH mit Sitz in Braunschweig, Deutschland, bereitgestellt wird.
Das BGC-Repertoire in Actinobacteria
Im Laufe der Jahre wurden mehr als 3.400 Genome aus kuratierten DSMZ-Isolaten sequenziert, für die das Team hochwertige DNA bereitgestellt hat. Diese Stämme wurden physiologisch und enzymatisch charakterisiert, mit Beschreibungen, wie ihre Aktivitäten biochemische Reaktionen beeinflussen. Allein für diesen Artikel wurden mehr als 600 Genome (als „GEBA-Actino“ bezeichnet) aus DSMZ-Typ-Stamm-Hinterlegungen sequenziert. All diese Genomsequenzen und die Tools zu deren Vergleich sind auf dem Portal Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M) des JGI verfügbar.
Als Teil einer vergleichenden Analyse wurden 824 neue GEBA-Actino-Genomsequenzen mit fast 5.000 öffentlich zugänglichen kombiniert und 1.100 Metagenom-assemblierte Genome (MAGs), die in einer früheren Studie aus sequenzierten Umweltproben rekonstruiert wurden. Das Team analysierte im Einklang mit den strategischen Initiativen des JGI über 80.000 biosynthetische Gencluster (BGCs) für die Synthese von Sekundärmetaboliten.
Diese spezialisierten Verbindungen ermöglichen es Organismen, auf Umweltbelastungen zu reagieren oder Wechselwirkungen miteinander zu vermitteln (manchmal antagonistische, über antimikrobielle Mittel) – und könnten in vielen Bereichen Anwendung finden. Das Team entdeckte, dass ein zügelloser horizontaler Gentransfer und häufiger Genverlust das BGC-Repertoire in den meisten Genomen prägen. Die BGC-Daten werden in Kürze auch im Secondary Metabolism Collaboratory (SMC)-Portal des JGI (smc.jgi.lbl.gov) enthalten sein.
Einzigartiger Wert isolierter Genome
Eine wiederholte Behauptung in der Studie ist der einzigartige Wert isolierter Genome im Gegensatz zu Genomen aus unkultivierten Taxa. Das Zusammensetzen von MAGs aus Umweltsequenzfragmenten kann zu qualitativ hochwertigen, aber unvollständigen Genomsequenzen führen, die die Analysen beeinflussen könnten. MAGs könnten auch Zusammensetzungen von Populationen darstellen, bei denen einzelne Stämme zusammengebrochen sind, während diese Probleme bei Referenzisolaten nicht häufig auftreten.
„Insbesondere für die Entdeckung von Sekundärmetaboliten ist dies ein warnendes Beispiel für ihre Grenzen; der Bedarf an qualitativ hochwertigen Isolatgenomen ist eindeutig“, sagte Rekha Seshadri, Hauptautor der Studie. „Und selbst wenn man Actinobakterien gegenüber agnostisch ist, hoffen wir, dass die Analyse der Probenursprünge neuer Abstammungslinien Interesse an Kultivierungsbemühungen weckt, die auf wenig untersuchte Umweltproben abzielen. Sogar traditionelle Kultivierungsansätze, die auf relativ handhabbare Proben wie Seen und Flüsse angewendet werden, könnten dazu beitragen, die Lücken zu füllen ,“ Sie hat hinzugefügt.
Die DSMZ bewahrt nicht nur eine standardisierte Kultursammlung von internationalem Ruf, aus der ein Forscher leicht eine Kultur für Folgearbeiten beschaffen kann, sondern unterhält auch verschiedene bioinformatische Werkzeuge und umfassende kuratierte Datenbanken, einschließlich nomenklaturischer und genomischer Informationen sowie wichtiger beschreibender Metadaten darüber jeder Stamm.
„Dies war insgesamt eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit zwischen JGI und DSMZ, die nicht nur zu einer wertvollen Sequenzressource zur Ergänzung der umfangreichen Stammressource von DSMZ führte, sondern auch viele hochwirksame Veröffentlichungen hervorbrachte und unterstützte“, sagte Markus Göker, der die Produktion von leitete genomische DNA bei DSMZ für GEBA-Actino und ähnliche Projekte.
Mehr Informationen:
Rekha Seshadri et al., Erweiterung der genomischen Enzyklopädie von Actinobacteria mit 824 isolierten Referenzgenomen, Zellgenomik (2022). DOI: 10.1016/j.xgen.2022.100213