Virusviden låst op af nye metagenomiske teknologier

Metagenomiske sekventeringsteknikker tillader studiet af mikrobiomer fra alle mulige habitater, og ved at bruge dette til at udforske fager (bakteriofaggenomer integreret i det cirkulære bakterielle kromosom) har man udvidet viden om vira, der integreres i bakterielle genomer, og hvordan de gavner deres værter.

Flinders University Ph.D. kandidat Laura Inglis – en del af Flinders Accelerator for Microbiome Exploration (FAME) laboratoriet, en tværfaglig forskningsgruppe ved Flinders Universitys College of Science and Engineering – har skitseret fordelene i hendes nye forskning offentliggjort om transformation af fager.

Artiklen, "How Metagenomics Has Transformed Our Understanding of Bacteriophages in Microbiome Research," af Laura Inglis og Robert Edwards, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Microorganisms .

"Mikrobiomet er en væsentlig del af de fleste økosystemer, men det har været særligt svært at studere mikrobiomer fra alle mulige habitater," siger fru Inglis. "Metagenomisk sekventering ændrer dette. Det er især nyttigt til at finde fager fra mange forskellige miljøforhold, men mange genomer tilføjes til databaser uden medtagelse af omfattende metadata.

"At være i stand til automatisk at sortere disse sekvenser i en miljøontologi ville gøre det muligt for disse sekvenser at være nyttige i fremtidige projekter, men vi har brug for betydeligt flere data af høj kvalitet for at bestemme, hvordan man bedst sorterer disse sekvenser."

Det stigende antal sekvenser, der uploades til onlinedatabaser, har både fordele og ulemper. Det betyder, at flere data er tilgængelige til brug, men at kurere en så stor mængde data bliver uoverskuelig.

"Der er mange udfordringer med at kurere metagenomer, men brugen af ​​maskinlæring til automatisk kurering kunne afhjælpe nogle af problemerne," forklarer fru Inglis.

Fager spiller betydelige roller i mikrobiomer af mange arter og i forskellige miljøer. De kan beskytte deres vært mod dødelige infektioner og give deres vært adgang til gavnlige gener såsom antimikrobiel resistens eller toksinproduktion - men måden fager interagerer med deres vært på ændrer sig afhængigt af miljøet.

"Flere faktorer påvirker, om bakteriofager vælger lysis eller lysogeni, og flere forskellige hypoteser forsøger at forklare, hvorfor nogle miljøer har højere hastigheder for lysis eller lysogeni," siger fru Inglis.

Mange undersøgelser har undersøgt fager i forskellige miljøer og forhold, men ser kun på nogle få forskellige miljøer eller forhold ad gangen. Fru Inglis siger, at udnyttelse af det store antal metagenomer online kunne give mulighed for en større undersøgelse, der undersøger hastighederne for lysis og lysogeni på tværs af mange forskellige miljøer på én gang - men hun erkender, at problemer med at kurere genomerne skal løses først.

Forskere har udført mange undersøgelser på fager fra forskellige miljøer og udviklet hypoteser om, hvilke faktorer der påvirker overlevelsesstrategier, såsom den lytiske/lysogene beslutning, selvom der skal læres meget mere om, hvordan profager interagerer med deres værter under forskellige forhold.

"At lære mere om metagenomer og profager kan give mange indsigter i menneskers og miljømæssige sundhed, og at opnå en bedre forståelse af, hvad et sundt mikrobiom bør være, kan gøre os i stand til at opdage ændringer hurtigere eller mere præcist i mikrobiomer, der kan være et tegn på sygdom," siger fru Inglis.

Et problem med at bruge open-access metagenomiske data er, at sekvenser tilføjet til databaser ofte har lidt eller ingen metadata at arbejde med, så det kan være svært at finde nok sekvenser. Mange metagenomer er blevet manuelt kurateret, men dette er en tidskrævende proces og er stærkt afhængig af, at uploaderen er nøjagtig og grundig, når den udfylder metadatafelter, og at kuratorerne arbejder med de samme ontologier.

Brug af algoritmer til automatisk at sortere metagenomer baseret på enten den taksonomiske profil eller den funktionelle profil kan være en levedygtig løsning på problemerne med manuelt kurerede metagenomer, men det kræver, at algoritmen trænes i omhyggeligt kurerede datasæt og bruger den mest informative profil som muligt for at for at minimere fejl.

Fru Inglis' papir om tarmmikrobiom er en af ​​en af ​​syv nyere artikler fra Flinders Universitys FAME-laboratorium, hvor den tværfaglige forskningsgruppe giver adgang til mikrobiom- og metagenomiske ressourcer, der hjælper med at accelerere mikrobiomforskning.

Andre vigtige nylige publikationer fra FAME-laboratoriet omfatter Vijini Mallawaarachchis forskning i et nyt bioinformatikværktøj til at samle genomer fra multi-bakterielle genomdata; Ph.D. studerende Lias forskning i mikrobielle funktioner til korallers sundhed (sammen med ph.d.-studerende Bhavya Papudeshi) og hendes gennemgang af økofysiologien af ​​en enkelt koralart i de nuværende miljøforhold i caribiske koralrev; og ph.d. studerende Susie Grigson om, hvordan man bruger avanceret matematik og datalogi med biologi til at hjælpe med at forstå mikrober, og hvad de laver.

FAME-laboratoriet blev skabt af Robert Edwards, Matthew Flinders Fellow i bioinformatik, der koordinerer beregningsanalysen af ​​DNA-sekvenser forbundet med mikrobiomet, sammen med Elizabeth Dinsdale, Matthew Flinders Fellow i Marine Biology, hvis forskning bruger genomik til at undersøge biodiversiteten og økologien i mikrober og vira på koralrev, tangskov og haj-epidermis. + Udforsk yderligere

Forskere identificerer nye bakterier og vira på menneskelig hud