Alle i familien:Fokuserede genomiske sammenligninger

Findes i mikrobielle samfund rundt om i verden, Aspergillus svampe er patogener, nedbrydere, og vigtige kilder til bioteknologisk vigtige enzymer. Hver Aspergillus-art er kendt for at indeholde mere end 250 kulhydrataktive enzymer (CAzymes), som nedbryder plantecellevægge og er af interesse for forskere fra Department of Energy (DOE), der arbejder med industriel produktion af bæredygtige alternative brændstoffer ved hjælp af kandidatafgrøder til bioenergi. Derudover hver svampeart menes at indeholde mere end 40 sekundære metabolitter, små molekyler med potentiale til at fungere som biobrændstof og kemiske mellemprodukter.

I en undersøgelse offentliggjort i ugen den 8. januar, 2018 i Proceedings of the National Academy of Sciences , et hold ledet af forskere ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU), DOE Joint Genome Institute (JGI), en DOE Office of Science brugerfacilitet, og DOE's Joint BioEnergy Institute (JBEI), ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapportere de første resultater af en langsigtet plan for at sekvensere, annotere og analysere genomerne af 300 Aspergillus svampe. Disse fund er et bevis på konceptet for nye metoder til funktionelt at annotere genomer for hurtigere at identificere gener af interesse.

"Dette er det første resultat fra den storstilede sekventering af 300+ Aspergillus-arter, " sagde undersøgelsens medforfatter Igor Grigoriev, leder af JGI Fungal Genomics Program. "Med JGI's strategiske skift mod funktionel genomik, denne undersøgelse illustrerer flere nye tilgange til funktionel annotering af gener. Mange tilgange er afhængige af eksperimenter og går gen for gen gennem individuelle genomer. Brug af Aspergillus, vi sekventerer en masse nært beslægtede genomer for at fremhæve og sammenligne forskellene mellem genomer. En sammenlignende analyse af nært beslægtede arter med forskellige metaboliske profiler kan resultere i, at et relativt lille antal artsspecifikke sekundære metabolisme-genklynger skal kortlægges til et relativt lille antal unikke metabolitter."

Arts mangfoldighed, Kemisk mangfoldighed

I undersøgelsen, holdet sekventerede og kommenterede 6 Aspergillus-arter; 4 blev sekventeret ved hjælp af Pacific Biosciences-platformen, producerer genomsamlinger af meget høj kvalitet, der kan tjene som referencestammer for fremtidige komparative genomiske analyser. En sammenlignende analyse, der involverede disse genomer og andre Aspergillus-genomer - hvoraf flere blev sekventeret af JGI - blev derefter udført, og tillod holdet at identificere biosyntetiske genklynger for sekundære metabolitter af interesse.

"En af de ting, vi fandt interessant her, var mangfoldigheden af ​​de arter, vi så på - vi valgte fire, der var fjernt beslægtede, " sagde seniorforfatter Mikael R. Andersen, Professor ved DTU. "Med den mangfoldighed følger også kemisk diversitet, så vi var i stand til at finde kandidatgener for nogle meget forskellige typer forbindelser. Dette var baseret på en ny analysemetode, som førsteforfatter Inge Kjærbøelling udviklede. I øvrigt, vi viste også, hvordan man fastholder forudsigelserne for en given forbindelse ved at sekventere yderligere genomer af arter, der vides at producere forbindelsen. Ved at lede efter gener fundet i alle producentarter, vi kan elegant lokalisere generne."

Studie medforfatter Scott Baker, en svampeforsker ved Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science brugerfacilitet beliggende ved Pacific Northwest National Laboratory, og medlem af JBEI's Deconstruction Division, forklaret, hvorfor det er vigtigt at finde kandidatgener for forskellige forbindelser. "De sekundære metabolitter er vigtige, fordi de repræsenterer en så interessant og ny kemi med hensyn til biosyntesen af ​​molekyler, der kunne være biobrændstoffer, biobrændstofprækursorer eller bioprodukter, " sagde han. "Selvom det er en betydelig indsats at bestemme strukturerne af oprensede sekundære metabolitter, det er ofte relativt ligetil. Imidlertid, at forbinde disse molekyler med deres biosyntetiske veje kan være ret udfordrende. Vi viser, at brug af komparativ genomik effektivt kan føre til rimelige forudsigelser af genklynger involveret i biosyntetiske veje."

Aspergillus i Mycocosm

Grigoriev tilføjede, at til dato, omkring 30 Aspergillus genomer er blevet offentliggjort, yderligere 25 genomer er offentligt tilgængelige fra JGI svampegenomportalen Mycocosm (genome.jgi.doe.gov/Aspergillus), og over 100 genomer bliver sekventeret og analyseret.

Efterhånden som JGI fortsætter med at opfylde sin strategiske plan for at udvikle sig til mere en funktionel genomik-kompatibel brugerfacilitet, integrere genomisk sekvens, udtryk, beregningsmæssige og metaboliske analyser, og biokemisk information til et mere komplet billede af biologi, der er relevant for DOE-missioner, tværfaglige og tværfaglige indsatser som denne vil blive endnu vigtigere. Karakterisering af sekundære metabolitters identitet og roller, og de gener, der er nødvendige for deres generation, er afgørende for denne indsats og kan give potentielle værktøjer til at forbedre evnen til at forarbejde genstridig biomasse til prækursorer for biobrændstoffer og bioprodukter.