В исследовании, опубликованном 27 января 2016 года в журнале Nature Communications, группа ученых, возглавляемая учеными из Объединенного института генома Министерства энергетики США (JGI), научного учреждения Министерства энергетики США, использовала самую большую коллекцию наборов метагеномных данных, чтобы раскрыть совершенно новый тип бактерий. их окрестили «криптонией».«Мы были заинтересованы в поиске новых, расходящихся бактериальных или архейных последовательностей, которые ранее не были охарактеризованы», — сказал первый автор исследования Эмили Элоэ-Фадрош, научный сотрудник DOE JGI. «У нас не было конкретной цели, к которой нужно было стремиться, но мы полагали, что, вероятно, существует огромное количество неиспользованного разнообразия, которое только и ждет своего открытия во всех метагеномных данных».Сигнал в шумеИсследователь, анализирующий огромное количество геномных данных, мало чем отличается от пляжника, медленно сканирующего пляж металлоискателем.
Оба ищут в шуме сигнал, указывающий на спрятанные сокровища, будь то новые микробы или пиратское золото. Команда начала с 5,2 триллиона оснований (терабаз или Tb) в системе Integrated Microbial Genomes with Microbiome Samples (IMG / M). После изучения этого эквивалента более 1700 геномов человека или 1 миллиона бактериальных геномов E. coli команда определила длинные последовательности, содержащие филогенетический маркер (ДНК, соответствующую рибосомной РНК, рРНК), обычно используемый для определения всего живого (бактерии, археи и эукариоты). ) в определенную систему классификации.
Команда определила последовательности из четырех разных геотермальных источников — Великого Кипящего источника в Неваде, источника Дьюар-Крик в Канаде и бассейнов Гунсяошэ и Цзиньцзы в Китае, — которые не могли быть помещены в какой-либо узнаваемый тип. Реконструкция геномов из наборов метагеномных данных и геномов отдельных клеток дала четыре линии, принадлежащие к новому типу кандидатов, названному Криптония (Candidatus Kryptonia) от греческого слова «скрытый».
Учитывая, что в настоящее время существует 35 культивируемых типов бактерий и архей и примерно такое же количество признанных некультивируемых типов, Элоэ-Фадрош говорит, что идентификация нового типа-кандидата была неожиданностью. «Не каждый день находишь совершенно новый тип. Со всеми исследованиями, которые проводились в горячих источниках, есть предположение, что вся новизна была обнаружена. Но мы обнаружили эти неизвестные линии в большом количестве».
Анализ почти полных геномов Kryptonia, извлеченных из этого набора данных метагеномики, также выявил наличие у этих организмов системы защиты фага CRISPR-Cas. Используя эту информацию, команда смогла отследить глобальное биогеографическое распределение Kryptonia по отношению к предполагаемым фагам, заражающим бактерии. «Несмотря на то, что вокруг биотехнологических приложений системы CRISPR-Cas собирается много исследований и внимания средств массовой информации, мы очень рады использовать ее в качестве мощного инструмента для реконструкции истории заражения микроорганизмов, а также отпечатка пальца для обнаружения и отслеживать коррелированные вирусы ", — сказал руководитель программы Prokaryote Super Никос Кирпидес, соавтор статьи.
Открытие новизны также выявляет предубежденияАнализ Kryptonia показывает, что бактерии должны полагаться на других микробов для удовлетворения некоторых потребностей в питании, что указывает на причину, по которой этот кандидатный тип не был обнаружен ранее, несмотря на его изобилие в геотермальных источниках. «Мы предполагаем, что Kryptonia участвует в метаболическом партнерстве, и очень сложно культивировать бактерии, обладающие уникальными взаимодействиями в дикой природе, которые не обязательно могут быть воспроизведены в лаборатории», — сказал Элоэ-Фадрош, который признал объединенную силу метагеномики и одноклеточная геномика для захвата новых микробов, описанных в статье. «Я думаю, что одной из самых сложных задач в этой области является количественная оценка микробного разнообразия, и эти технологии приближают нас к тому, чтобы сделать это реальностью».Эта работа подкрепляет точку зрения, опубликованную в прошлом году в журнале Science директором DOE JGI Эдди Рубином и главой микробной программы Таней Войке. «Есть основания полагать, что современные подходы действительно могут пропускать таксоны, особенно если они сильно отличаются от тех, которые были охарактеризованы до сих пор», — писали они. «Предыдущие исследования доступных наборов метагеномных данных были сосредоточены на обнаружении совпадений с известными генами и геномами — анализ, который, естественно, предвзято относится к раскрытию совершенно новой жизни».Элоэ-Фадрош сказал, что команда обнаружила уникальные метаболические пути в Kryptonia, намекая на то, что могут быть другие новые ферменты, связанные с биологическими путями, которые ждут своего открытия. «Так же, как полимераза Taq была революционной для молекулярной биологии, в Kryptonia может быть фермент, имеющий биотехнологическое значение», — добавила она.
Ее слова перекликаются с предположениями, предложенными соавтором исследования и сотрудником DOE JGI Брайаном Хедлундом из Университета Невады в Лас-Вегасе. Отметив, что Kryptonia играет роль в деградации лигноцеллюлозы, он добавил, что есть потенциальные ресурсы, которые все еще ждут своего использования для биотехнологических приложений в «микробной темной материи», из которой Kryptonia только-только вышла.
Например, сказал он, компании продают ферменты термофилов для быстрых диагностических тестов, в том числе из предыдущих исследований, проведенных DOE JGI на горячих бассейнах Йеллоустоуна. «Я верю, что приложения найдутся, если люди тратят время и деньги на поиски микробов», — сказал он.Элоэ-Фадрош рассказал о поисках криптонии на встрече DOE JGI 2015 по геномике энергетики и окружающей среды.
Посмотрите видео на http://bit.ly/JGI15UMKryptonia.