В пределах данного вида бактерий содержание гена может отличаться на 50% или более от эталонного генома. «Это предполагает огромную изменчивость на уровне деформации, которая может иметь реальные функциональные последствия», — сказала старший автор Кэтрин Поллард, доктор философии, из институтов Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). «Мы увидели необходимость в эффективном с вычислительной точки зрения инструменте для количественной оценки этого отклонения на основе данных метагеномики дробовика».Исследователи разработали инструмент MIDAS для быстрого профилирования различий в содержании генов и однонуклеотидных вариантах в разных штаммах бактерий. Для создания MIDAS исследователи сначала создали базу данных из 31 007 высококачественных бактериальных геномов.
Используя набор из 30 информативных «универсальных» генов, они иерархически сгруппировали геномы для определения видов. Исследователи смогли отнести 8,6% ранее не аннотированных геномов к виду и переназначить виды для 9,8%.Применяя MIDAS к 98 метагеномам стула матери и ребенка, исследователи использовали генетические различия на уровне штаммов для отслеживания бактерий между матерями и младенцами. «Варианты на уровне штамма выявляют закономерности, которые противоречат тому, что можно было бы предположить на основе паттернов на уровне видов», — сказал первый автор Стивен Найфах, аспирант UCSF. Предыдущие исследования показали, что микробиомы матери и ребенка становятся более похожими в течение первого года жизни.
Однако, изучая «маркерные аллели» или редкие генетические различия, исследователи обнаружили, что ранние колонизирующие штаммы передаются от матери, но что поздние колонизирующие штаммы отличаются и, вероятно, получены из окружающей среды. «Созревание микробиома кишечника младенца в течение первого года создает впечатление продолжающихся передач от матери», — сказал Поллард. «Но генетические варианты бактерий показывают, что приобретенные штаммы часто не совпадают с материнскими».Исследователи также применили MIDAS к морским образцам, собранным на разной глубине в Мировом океане. Наиболее распространенные морские бактерии имели различия в содержании генов, которые были тесно связаны с географией.
Потребуется дополнительная работа, чтобы определить, являются ли генетические различия между местоположениями результатом адаптации или генетического дрейфа внутри вида. «Следующая большая задача — разобраться в силах, которые управляют популяционной структурой в микробиоме, и связать эту изменчивость с особенностями хозяина или окружающей среды», — сказал Поллард.