Классификация видов микробов в эпоху геномики
Быстрый рост производительности секвенирования ДНК из-за новых технологических платформ приводит к увеличению числа секвенированных микробных геномов и большей доступности этих данных для научного сообщества. Традиционно идентификация микроорганизмов, отобранных для секвенирования, часто решалась на основе одного универсального маркерного гена. Однако недавно исследователи заметили, что идентичность микробов, для которых стала доступна информация о полном геноме, не всегда совпадает с идентичностью, определенной подходами, распространенными до появления высокопроизводительного секвенирования нового поколения.
В исследовании, опубликованном онлайн 6 июля 2015 года в Nucleic Acids Research (NAR), группа исследователей из Объединенного института генома Министерства энергетики США (DOE JGI) и их коллеги разработали и оценили новый метод классификации видов микробов, который может быть дополнен — при необходимости — традиционными подходами, на которые десятилетиями полагались микробиологи. Ведущий автор исследования Неха Варгез из DOE JGI заявляет, что метод идентификатора микробных видов (MiSI) удовлетворяет «давней потребности в систематическом, масштабируемом и объективном методе определения микробных видов».
«Быстрый метод на основе последовательности генома»
Стандартный подход для полного генома опирается на ген малой субъединицы рибосомной РНК (16S рРНК); без секвенирования исследователи использовали такие подходы, как гибридизация ДНК-ДНК, фенотипическая информация — генотипирование, фенотипирование или классификация по химическим соединениям, общим для микробов — для получения необходимой информации для микробной классификации. Метод MiSI, разработанный в DOE JGI, в основном опирается на секвенирование генома и представляет собой комбинацию двух метрик для определения степени родства двух геномов: усредненной нуклеотидной идентичности по всему геному (gANI) и фракции выравнивания (AF). Разработка вычислительных инструментов является критически важным элементом 10-летнего стратегического видения DOE JGI, необходимого для характеристики сложных биологических и экологических систем в поддержку исследовательских миссий DOE, а также партнерства Института с Национальным центром суперкомпьютерных вычислений для научных исследований в области энергетики (NERSC).
«Ученые и практикующие микробиологи высоко оценят надежную, обширную, таксономическую организацию микробного мира, предоставляемую этим быстрым методом на основе последовательности генома», — сказал Джим Тидже, директор Центра микробной экологии в Университете штата Мичиган. «Он предоставляет более точное и четкое средство для идентификации бактерий». Тидже и его бывший студент Костас Константинидис, один из соавторов исследования, совместно разработали исходную метрику gANI по всему геному, которую команда DOE JGI модифицировала в качестве основы для метода MiSI.
Алгоритм в методе gANI, разработанный Тидже и Константинидисом, использовал сегменты, отобранные по всему геному, и инструмент Национального центра биотехнологической информации (NCBI) BLAST для выравнивания последовательностей. MiSI ускоряет вычисления примерно в 10 раз, используя нуклеотидные последовательности генов и модифицированный поиск сходства на основе BLAST.
Команда реализовала метод MiSI на массивной базе данных, содержащей более 13 000 высококачественных геномов бактерий и архей, отобранных из базы данных Integrated Microbial Genomes (IMG). Эти геномы были затем классифицированы в кластеры, представленные кликами или группами-кликами, где связность определяется геномным сходством (суррогатом эволюционного расстояния), что впервые позволило исследователям визуализировать, как геномы связаны друг с другом в большом филогенетическом пространстве.
Полностью связная природа этих клик помогла команде идентифицировать высококонсервативные ядра видов, в то время как полу-связная природа групп-клик помогла идентифицировать виды, которые можно пересмотреть с таксономической точки зрения. Кроме того, поскольку кластеризация основана исключительно на геномном родстве, команда смогла использовать этот метод, чтобы определить, связан ли некультивируемый организм с существующим видом или является новым видом-кандидатом.
«Универсальный метод идентификации видов»
«Значение использования этого метода для преобразования микробиологии невозможно переоценить, — сказал Кирипидес, руководитель программы по прокариотам и со-корреспондирующий автор этого исследования. — Теперь у нас есть универсальный метод идентификации видов для всех архей и бактерий, который опирается на весь геном, а не на один ген или небольшое количество маркерных генов. Применяя этот метод ко всем доступным в настоящее время секвенированным геномам, мы смогли наблюдать эволюцию видов в действии, проявляющуюся через то, что мы называем группами-кликами. Возможно, одним из самых драматичных наблюдений было то, что более половины всех видов, для которых было секвенировано более одного генома, имели по крайней мере один геном, названный неправильно».
Кирипидес добавил: «Этот метод также проливает свет на давно обсуждаемую проблему микробных видов. Тот факт, что более 86% всех микробных видов, для которых секвенировано более одного генома, группируются в отдельные клики, сильно поддерживает концепцию микробного вида, в противоположность идее генетического континуума среди микробных видов, который, однако, наблюдался для небольшого числа видов, около 5%. Было бы очень интересно увидеть, как эти наблюдения эволюционируют по мере взрывного роста числа секвенированных микробных геномов».