Проект микробиома Земли
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
 | |
| Формирование | 2010 |
|---|---|
| Веб-сайт | https://earthmicrobiome.org/ |
Проект «Земной микробиом» (EMP) — это инициатива, основанная Джанет Янссон , Джеком Гилбертом и Робом Найтом в 2010 году с целью сбора природных образцов и анализа микробной жизни по всему миру. [1]
EMP намеревался обработать до 200 000 образцов в различных биомах , создав базу данных микробов на Земле для характеристики окружающей среды и экосистем по микробному составу и взаимодействию. [2]
Веб-сайт ПУОС не обновлялся уже много лет, и проект считается закрытым. [3]
Актеры
[ редактировать ]| Часть серии о |
| Микробиомы |
|---|
 |
Проект был запущен в 2010 году, и по состоянию на январь 2018 года в нем насчитывалось 161 учреждение, все из которых являются университетами и дочерними учреждениями, за исключением IBM Research и зоопарка Атланты . Краудсорсинг осуществляется Фондом Джона Темплтона , Фондом У.М. Кека , Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США , Австралийским исследовательским советом , Тульским фондом и Фондом Сэмюэля Лоуренса. Компании предоставили поддержку в натуральной форме, в том числе MO BIO Laboratories, Luca Technologies, Eppendorf , Boreal Genomics, Illumina , Roche и Integrated DNA Technologies . [4]
Цели
[ редактировать ]Основная цель [ кем? ] Проекта «Микробиом Земли» (EMP) был [ когда? ] для исследования микробного состава во многих средах планеты, как во времени, так и в пространстве, используя стандартный набор протоколов. [1] Разработка стандартизированных протоколов уменьшает вариации и предвзятость в аналитических конвейерах, что усложняет сравнение структур микробного сообщества. [5]
Другая важная цель — определить, как аналитические предубеждения влияют на реконструкцию микробных сообществ. Скорость технологического прогресса высока, и необходимо понимать, как данные, полученные с использованием обновленных протоколов, будут сравниваться с данными, собранными с использованием более ранних методов. Информация этого проекта будет заархивирована в базе данных для облегчения анализа. Другие результаты будут включать глобальный атлас функций белков и каталог повторно собранных геномов, классифицированных по их таксономическому распределению. [5]
Методы
[ редактировать ]стандартные протоколы отбора проб, выделения ДНК, 16S рРНК амплификации , амплификации 18S рРНК и «дробовика» . метагеномики Были разработаны [6]
Коллекция образцов
[ редактировать ]Образцы будут собраны с использованием соответствующих методов из различных сред, включая глубокий океан, пресноводные озера, песок пустыни и почву. По возможности будут использоваться стандартизированные протоколы сбора, чтобы результаты были сопоставимы. Микробы из природных образцов не всегда можно культивировать. По этой причине для секвенирования всей ДНК или РНК в образце будут использоваться метагеномные методы независимо от культуры.
Мокрая лаборатория
[ редактировать ]Мокрая лаборатория использовалась для выполнения ряда процедур по отбору и очистке микробной части образцов. Процесс очистки варьируется в зависимости от типа образца. ДНК будет извлекаться из частиц почвы или микробы будут концентрироваться с использованием методов фильтрации. Кроме того, для увеличения выхода ДНК можно использовать различные методы амплификации. Например, ПЦР не основанную на множественную амплификацию смещения, некоторые исследователи предпочитают . Экстракция ДНК, использование праймеров и протоколы ПЦР — все это области, которые, чтобы избежать систематической ошибки, необходимо выполнять в соответствии с тщательно стандартизированными протоколами. [5]
Секвенирование
[ редактировать ]Исследователи могут секвенировать метагеномный образец, используя два основных подхода, в зависимости от биологического вопроса. Для идентификации типов и численности присутствующих организмов предпочтительным подходом является нацеливание и амплификация конкретного гена, часто высококонсервативного среди интересующих видов, часто гена 16S рибосомальной РНК для бактерий и гена 18S рибосомальной РНК для простейших. Этот подход называется «глубоким секвенированием», который позволяет идентифицировать редкие виды в образце. Однако этот подход не позволит собрать какие-либо целые геномы и не предоставит информацию о том, как организмы могут взаимодействовать друг с другом. Второй подход — метагеномика дробовика, при которой вся ДНК в образце разрезается и фрагменты секвенируются. В принципе, этот подход позволяет собирать целые микробные геномы и делать выводы о метаболических отношениях. Однако, если большинство микробов не охарактеризованы в данной среде, сборка de novo будет дорогостоящей в вычислительном отношении. [7]
Анализ данных
[ редактировать ]EMP предлагает стандартизировать биоинформационные аспекты обработки образцов. [5]
Анализ данных обычно включает в себя следующие этапы: 1) Очистка данных. Предварительная процедура очистки всех чтений с низкими показателями качества, удаление любых последовательностей, содержащих «N» или неоднозначные нуклеотиды, и 2) присвоение таксономии последовательностям, что обычно выполняется с помощью таких инструментов, как BLAST. [8] или РДП . [9] Очень часто обнаруживаются новые последовательности, которые невозможно сопоставить с существующей таксономией. В этом случае таксономия создается на основе филогенетического дерева , которое создается с использованием новых последовательностей и пула близкородственных известных последовательностей. [10]
Дополнительные методы могут использоваться в зависимости от технологии секвенирования и основного биологического вопроса. Например, сборка потребуется, если последовательные чтения слишком коротки, чтобы получить какую-либо полезную информацию. Сборку также можно использовать для создания целых геномов, предоставляя полезную информацию о видах. Более того, если необходимо понять метаболические взаимоотношения внутри микробного метагенома, последовательности ДНК необходимо будет транслировать в аминокислотные последовательности, например, с использованием инструментов прогнозирования генов, таких как GeneMark. [11] или FragGeneScan. [12]
Результаты проекта
[ редактировать ]Четырьмя ключевыми результатами ПУОС были: [13]
- Независимо от степени достоверности, все первичные данные, полученные в рамках проекта «Микробиом Земли», будут храниться в централизованной базе данных, называемой «Атлас генов» (GA). ГА будет содержать данные о последовательности, аннотации и метаданные об окружающей среде. как известные, так и неизвестные последовательности, то есть «Темная материя», в надежде, что со временем неизвестные последовательности можно будет в конечном итоге охарактеризовать. Будут включены
- Собранные геномы, аннотированные с помощью автоматизированного конвейера, будут храниться в «Собранных геномах микробиома Земли» (EM-AG) в общедоступных репозиториях. Это позволит провести сравнительный геномный анализ.
- Интерактивная визуализация данных будет предоставляться через «Портал визуализации микробиома Земли» (EM-VIP), который позволит просматривать взаимосвязь между микробным составом, параметрами окружающей среды и геномной функцией.
- Реконструированные метаболические профили будут предлагаться в рамках «Метаболической реконструкции микробиома Земли» (EMMR).
Проблемы
[ редактировать ]Большие объемы данных о последовательностях, полученных в результате анализа разнообразных микробных сообществ, представляют собой сложную задачу для хранения, организации и анализа. Проблема усугубляется короткими считываниями, обеспечиваемыми высокопроизводительной платформой секвенирования, которая станет стандартным инструментом, используемым в проекте EMP. Потребуются улучшенные алгоритмы, инструменты анализа, огромные объемы компьютерной памяти и доступ к тысячам часов суперкомпьютерного времени. [7]
Еще одной проблемой является большое количество ожидаемых ошибок секвенирования и их отличие от фактического разнообразия в собранных образцах микроорганизмов. [7] Технологии секвенирования нового поколения обеспечивают огромную производительность, но меньшую точность, чем старые методы секвенирования. При секвенировании одного генома низкая точность этих методов более чем компенсируется возможностью охватить весь геном несколько раз в противоположных направлениях из нескольких начальных точек, но эта возможность не обеспечивает повышения точности при секвенировании разнообразной смеси геномов. геномы.
Несмотря на выпуск стандартных протоколов, ожидаются систематические отклонения от лаборатории к лаборатории. Необходимость амплификации ДНК из образцов с низкой биомассой внесет дополнительные искажения данных. Сборка геномов даже доминирующих организмов в разнообразной выборке организмов требует гигабайтов данных о последовательностях. [7]
С развитием технологий высокопроизводительного секвенирования многие последовательности попадают в общедоступные базы данных без экспериментально определенной функции, но которые были аннотированы на основе наблюдаемой гомологии с известной последовательностью. Первая известная последовательность используется для аннотирования первой неизвестной последовательности, но проблема, которая стала преобладающей в общедоступных базах данных последовательностей, которую EMP следует избегать, заключается в том, что первая неизвестная последовательность используется для аннотирования второй неизвестной последовательности и так далее. . Гомология последовательностей является лишь умеренно надежным предиктором функции. [14]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Гилберт, Дж.А.; Янссон, Дж. К.; Найт, Р. (2014). «Проект «Микробиом Земли: успехи и стремления» . БМК Биология . 12 (1): 69. дои : 10.1186/s12915-014-0069-1 . ПМК 4141107 . ПМИД 25184604 .
- ^ Гилберт, Дж.А.; О'Дор, Р.; Кинг, Н.; Фогель, ТМ (2011). «Важность метагеномных исследований для микробной экологии: или почему Дарвин стал учёным-метагеномистом» . Микробная информатика и экспериментирование . 1 (1): 5. дои : 10.1186/2042-5783-1-5 . ПМЦ 3348666 . ПМИД 22587826 .
- ^ "Дом" . Проект «Микробиом Земли» . 11 июля 2024 г. Проверено 11 июля 2024 г.
- ^ Проект «Микробиом Земли» — это систематическая попытка охарактеризовать глобальное таксономическое и функциональное разнообразие микробов на благо планеты и человечества. Архивировано 11 мая 2020 г. в проекте Wayback Machine Earth Microbiome Project 2018, получено 3 января 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Гилберт, Дж.А.; Мейер, Ф. (2012). «Моделирование микробиома Земли». Журнал «Микроб» . 7 (2): 64–69. дои : 10.1128/микроб.7.64.1 .
- ^ «Проект земного микробиома / Стандартные протоколы» . Архивировано из оригинала 16 марта 2012 г. Проверено 7 марта 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Янссон, Джанет (2011). «На пути к «Тера-Терра»: терабазное секвенирование земных метагеномов». Журнал «Микроб» . 6 (7): 309–15. дои : 10.1128/микроб.6.309.1 . ОСТИ 1051845 .
- ^ «BLAST: базовый инструмент поиска локального выравнивания» . Архивировано из оригинала 9 августа 2011 г. Проверено 5 марта 2012 г.
- ^ «Проект рибосомальной базы данных» . Архивировано из оригинала 19 августа 2020 г. Проверено 6 марта 2012 г.
- ^ Мейер, Ф.; Паарманн, Д.; д'Суза, М.; Олсон, Р.; Стекло, ЭМ; Кубал, М.; Пачиан, Т.; Родригес, А.; Стивенс, Р.; Вилке, А.; Уилкенинг, Дж.; Эдвардс, РА (2008). «Метагеномный RAST-сервер – общедоступный ресурс для автоматического филогенетического и функционального анализа метагеномов» . БМК Биоинформатика . 9 : 386. дои : 10.1186/1471-2105-9-386 . ПМК 2563014 . ПМИД 18803844 .
- ^ «GeneMark — бесплатное программное обеспечение для прогнозирования генов» . Архивировано из оригинала 30 октября 2013 г. Проверено 6 марта 2012 г.
- ^ «ФрагГенСкан» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2019 г. Проверено 6 марта 2012 г.
- ^ «Проект «Микробиом Земли / Определение задач» . Архивировано из оригинала 16 марта 2012 г. Проверено 7 марта 2012 г.
- ^ Гилберт, Дж.А.; Дюпон, CL (2011). «Микробная метагеномика: за пределами генома». Ежегодный обзор морской науки . 3 : 347–371. Бибкод : 2011ARMS....3..347G . doi : 10.1146/annurev-marine-120709-142811 . ПМИД 21329209 .