Earth Microbiome Project:Kortlægning af mikrobiomet af... alting

I Earth Microbiome Project, et omfattende globalt team ledet af forskere ved University of California San Diego, Pacific Northwest National Laboratory, University of Chicago og Argonne National Laboratory indsamlede mere end 27, 000 prøver fra talrige, forskellige miljøer over hele kloden. De analyserede de unikke samlinger af mikrober - mikrobiomer - der lever i hver prøve for at generere den første referencedatabase over bakterier, der koloniserer planeten. Takket være nye standardiserede protokoller, originale analysemetoder og åben datadeling, projektet vil fortsætte med at vokse og forbedres, efterhånden som nye data tilføjes.

Avisen, der beskriver denne indsats, udgivet 1. november i Natur , var medforfatter af mere end 300 forskere ved mere end 160 institutioner verden over.

Earth Microbiome Project blev grundlagt i 2010 af Rob Knight, PhD, professor ved UC San Diego School of Medicine og direktør for Center for Microbiome Innovation ved UC San Diego; Jack Gilbert, PhD, professor og fakultetsdirektør for The Microbiome Center ved University of Chicago og gruppeleder i mikrobiel økologi ved Argonne National Laboratory; Rick Stevens, PhD, associeret laboratoriedirektør ved Argonne National Laboratory og professor og senior fellow ved University of Chicago; og Janet Jansson, PhD, chefforsker for biologi og laboratoriestipendiat ved Pacific Northwest National Laboratory. Ridder, Gilbert og Jansson er også medforfattere af Nature-papiret, og Stevens er medforfatter.

"De potentielle anvendelser for denne database og de typer forskningsspørgsmål, vi nu kan stille, er næsten ubegrænsede, " sagde Knight. "Her er blot et eksempel - vi kan nu identificere, hvilken slags miljø en prøve kom fra i mere end 90 procent af tilfældene, bare ved at kende dets mikrobiom, eller typerne og relative mængder af mikrober, der lever i den. Det kunne være nyttige retsmedicinske oplysninger på et gerningssted ... tænk 'CSI'."

Målet med Earth Microbiome Project er at prøve så mange af jordens mikrobielle samfund som muligt for at fremme den videnskabelige forståelse af mikrober og deres forhold til deres miljøer, inklusive planter, dyr og mennesker. Denne opgave kræver hjælp fra videnskabsmænd fra hele kloden. Indtil nu, projektet har spændt over syv kontinenter og 43 lande, fra Arktis til Antarktis, og mere end 500 forskere har bidraget til stikprøven og dataindsamlingen. Projektmedlemmer bruger disse oplysninger som en del af cirka 100 undersøgelser, halvdelen er publiceret i peer-reviewede tidsskrifter.

"Mikrober er overalt, " sagde førsteforfatter Luke Thompson, PhD, som påtog sig rollen som projektleder, mens han var postdoc i Knight's lab og i øjeblikket er forskningsassistent ved National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). "Alligevel før dette massive foretagende, ændringer i det mikrobielle samfunds sammensætning blev hovedsageligt identificeret ved at fokusere på én prøvetype, en region ad gangen. Dette gjorde det vanskeligt at identificere mønstre på tværs af miljøer og geografi for at udlede generaliserede principper."

Projektmedlemmer analyserer bakteriel mangfoldighed blandt forskellige miljøer, geografi og kemi ved at sekventere 16S rRNA-genet, en genetisk markør specifik for bakterier og deres slægtninge, archaea. 16S rRNA-sekvenserne tjener som "stregkoder" til at identificere forskellige typer bakterier, giver forskere mulighed for at spore dem på tværs af prøver fra hele verden. Earth Microbiome Project-forskere brugte også en ny metode til at fjerne sekventeringsfejl i dataene, giver dem mulighed for at få et mere præcist billede af antallet af unikke sekvenser i mikrobiomer.

Inden for denne første udgivelse af data, Earth Microbiome Project-teamet identificerede omkring 300, 000 unikke mikrobielle 16S rRNA-sekvenser, næsten 90 procent af dem har ikke nøjagtige matches i allerede eksisterende databaser.

Eksisterende 16S rRNA-sekvenser er begrænsede, fordi de ikke var designet til at tillade forskere at tilføje data på en måde, der er nyttig for fremtiden. Projektets medforfatter Jon Sanders, PhD, en postdoktor i Knight's lab, sammenligner forskellen mellem disse andre databaser og Earth Microbiome Project med forskellen mellem en telefonbog og Facebook. "Før, du skulle skrive ind for at få din sekvens listet, og listen ville indeholde meget lidt information om, hvor sekvensen kom fra, eller hvilke andre sekvenser den blev fundet med, " sagde han. "Nu, vi har en ramme, der understøtter al den ekstra kontekst, og som kan vokse organisk for at understøtte nye former for spørgsmål og indsigt."

"Der er store dele af mikrobiel mangfoldighed tilbage at katalogisere. Og alligevel har vi 'genfanget' omkring halvdelen af ​​alle kendte bakteriesekvenser, " sagde Gilbert. "Med denne information, mønstre i fordelingen af ​​jordens mikrober er allerede ved at dukke op."

Ifølge Gilbert, en af ​​de mest overraskende observationer er, at unikke 16S-sekvenser er langt mere specifikke for individuelle miljøer, end de typiske enheder af arter, der bruges af videnskabsmænd. Mangfoldigheden af ​​miljøer udtaget af Earth Microbiome Project hjælper med at demonstrere, hvor meget det lokale miljø former mikrobiomet. For eksempel, hudmikrobiomer af hvaler (hvaler og delfiner) og fisk ligner hinanden mere end det vand, de svømmer i; omvendt, saltet i saltvandsmikrobiomer gør dem adskilt fra ferskvand, men de ligner stadig mere hinanden end vanddyrshud. Samlet set, mikrobiomer af en vært, som et menneske eller et dyr, var ret forskellige fra fritlevende mikrobiomer, som dem, der findes i vand og jord. For eksempel, de fritlevende mikrobiomer var langt mere forskellige, generelt, end værtsassocierede mikrobiomer.

"Disse globale økologiske mønstre giver blot et glimt af, hvad der er muligt med koordineret og kumulativ prøveudtagning, " sagde Jansson. "Mere prøveudtagning er nødvendig for at tage højde for faktorer som breddegrad og højde, og spore miljøændringer over tid. Earth Microbiome Project giver både en ressource til udforskning af utallige spørgsmål, og et udgangspunkt for den guidede indsamling af nye data for at besvare dem."