La diversité microbienne de la planète est immense, mais une grande partie reste inconnue. Pendant plus d’une décennie, des chercheurs du monde entier ont collaboré avec le Joint Genome Institute (JGI) du Département américain de l’énergie (DOE), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE située au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), pour remplir ces lacunes dans les connaissances.
Dans une étude publiée le 11 novembre 2022, dans Génomique cellulaire, l’équipe s’est concentrée sur les actinobactéries (Actinomycetota), un groupe de bactéries aux activités métaboliques diverses. Présentes dans les environnements marins et terrestres, les actinobactéries jouent un rôle dans les cycles du carbone et de l’azote, décomposent la masse végétale (pensez aux biocarburants), améliorent la santé des plantes, provoquent des maladies et produisent des antibiotiques. Pourtant, l’équipe estime que les informations génomiques ne sont disponibles que pour une fraction de la diversité actinobactérienne existante.
L’article s’ajoute au recueil généré dans le cadre de l’initiative de l’Encyclopédie génomique des bactéries et des archées (GEBA). « Ce projet a aidé à définir la forme actuelle de l’arbre de vie microbien en remplissant les informations génomiques de milliers de branches », a déclaré Natalia Ivanova, auteur principal de l’étude et responsable du groupe d’annotation du microbiome du JGI.
Bon nombre de ces séquences de génomes bactériens et archéens ont été générées à l’aide de techniques mises au point par le JGI, notamment la génomique et la métagénomique unicellulaires. L’initiative GEBA a également utilisé une très grande collection d’isolats de souches types, fournie par l’Institut Leibniz DSMZ – Collection allemande de micro-organismes et de cultures cellulaires GmbH, basée à Braunschweig, en Allemagne.
Le répertoire BGC chez les Actinobactéries
Au fil des ans, plus de 3 400 génomes ont été séquencés à partir d’isolats sélectionnés de DSMZ, pour lesquels un ADN de qualité a été fourni par l’équipe. Ces souches ont été caractérisées physiologiquement et enzymatiquement, avec des descriptions de la façon dont leurs activités influencent les réactions biochimiques. Pour cet article seul, plus de 600 génomes (appelés « GEBA-Actino ») ont été séquencés à partir de dépôts de souches de type DSMZ. Toutes ces séquences génomiques et les outils pour les comparer sont disponibles sur le portail Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M) du JGI.
Dans le cadre d’une analyse comparative, 824 nouvelles séquences du génome GEBA-Actino ont été combinées avec près de 5 000 accessibles au public et 1 100 génomes assemblés par métagénome (MAG) reconstruits à partir d’échantillons environnementaux séquencés dans une étude précédente. L’équipe a analysé plus de 80 000 grappes de gènes biosynthétiques (BGC) pour la synthèse de métabolites secondaires, conformément aux initiatives stratégiques du JGI.
Ces composés spécialisés permettent aux organismes de répondre aux stress environnementaux ou de médier les interactions les uns avec les autres (parfois antagonistes, via des antimicrobiens) – et pourraient avoir des applications dans de nombreux domaines. L’équipe a découvert que le transfert horizontal rampant de gènes et la perte fréquente de gènes façonnent le répertoire BGC dans la plupart des génomes. Les données du BGC seront également bientôt contenues dans le portail du JGI’s Secondary Metabolism Collaboratory (SMC) (smc.jgi.lbl.gov).
Valeur unique des génomes isolés
Une affirmation répétée dans l’étude est la valeur unique des génomes isolés par rapport aux génomes de taxons non cultivés. Reconstituer des MAG à partir de fragments de séquences environnementales peut conduire à des séquences génomiques de haute qualité mais incomplètes, ce qui pourrait biaiser les analyses. Les MAG pourraient également représenter des composites de populations où les souches individuelles sont regroupées, alors que ces problèmes ne sont pas couramment observés avec les isolats de référence.
« Pour la découverte de métabolites secondaires en particulier, il s’agit d’un récit édifiant sur leurs limites ; le besoin de génomes isolés de haute qualité est clair », a déclaré Rekha Seshadri, auteur principal de l’étude. « Et même si l’on est agnostique aux actinobactéries, nous espérons que l’analyse des origines des échantillons de nouvelles lignées suscitera de l’intérêt pour les efforts de culture ciblant des échantillons environnementaux sous-étudiés. Même les approches de culture traditionnelles appliquées à des échantillons relativement traitables comme les lacs et les rivières pourraient aider à combler les lacunes. , » elle a ajouté.
DSMZ préserve non seulement une collection de cultures standardisée de renommée internationale, à partir de laquelle un chercheur peut facilement se procurer une culture pour un travail de suivi, mais maintient également divers outils bioinformatiques et des bases de données complètes, y compris des informations nomenclaturales et génomiques ainsi que d’importantes métadonnées descriptives sur chaque souche.
« Cela a été une collaboration très fructueuse entre JGI et DSMZ dans l’ensemble, résultant non seulement en une ressource de séquence précieuse pour compléter la vaste ressource de souches de DSMZ, mais aussi en produisant et en soutenant de nombreuses publications à fort impact », a déclaré Markus Göker, qui a géré la production de ADN génomique à DSMZ pour GEBA-Actino et des projets similaires.
Plus d’information:
Rekha Seshadri et al, Élargir l’encyclopédie génomique des actinobactéries avec 824 génomes de référence isolés, Génomique cellulaire (2022). DOI : 10.1016/j.xgen.2022.100213