Ученые собрали геномный пазл микробов коровьего желудка

Исследователи из Службы сельскохозяйственных исследований США (ARS) и их коллеги с помощью высокотехнологичных инструментов глубоко изучили микробный "суп" рубца коровы — первого из четырех желудочных отделов, где грубые растительные волокна превращаются в питательные вещества и энергию.

В конечном счете, такие усилия могут привести к новым способам обеспечения здоровья коров и повышения их продуктивности (молока, мяса), отметил Дерек Бикхарт, научный сотрудник-микробиолог из Исследовательского центра молочного кормопроизводства ARS.

Способность коровы удовлетворять спрос начинается с симбиотического сообщества микробов, населяющих ее рубец: бактерий, простейших и грибов.

"Рубец уникален по составу, поскольку содержит организмы из всех трех царств жизни: Бактерии, Археи и Эукариоты. Все они работают в тандеме, потребляя растительную массу, а побочные продукты их пищеварения используются коровами для производства мяса и молока", — пояснил Бикхарт.

По оценкам Бикхарта, существует более 30 000 видов этих обитателей рубца, но охарактеризовано адекватно менее пары тысяч. Это создает пробел в понимании роли каждого вида в более крупном сообществе — "микробиоме". Исследователи также хотят узнать, что означает отсутствие или чрезмерное размножение микроба для благополучия и продуктивности коровы.

Теперь Бикхарт и коллеги лучше контролируют ситуацию. Используя последние достижения в оборудовании для секвенирования, они разработали способ чтения химического кода фрагментов ДНК микробов и сборки этих фрагментов в целые геномы с помощью специальных алгоритмов. На основе этого они создали упорядоченную геномную карту всего микробиома рубца, которая облегчит идентификацию отдельных членов сообщества и их функций.

Ранее эти последовательности (риды) были ограничены 100–500 парами нуклеотидных оснований. С новым методом исследователи получили риды длиной от 9 000 до более 30 000 пар оснований. Это увеличение стало результатом использования коммерческого секвенатора длинных чтений (PacBio Sequel) и нового метода Proximeta Hi-C. Полные детали опубликованы в августовском выпуске журнала Genome Biology за 2019 год.

Среди прочих преимуществ, более длинные чтения ДНК облегчают идентификацию генов, которые могут раскрыть функцию конкретного микроба или его отличия от других близкородственных видов.

"Хотя мы не полностью отобразили геномы всех микроорганизмов рубца в нашем исследовании, мы подошли к этому ближе, чем предыдущие работы, а также выявили новые биологические факты о сообществе, которые нам не были известны ранее", — сказал Бикхарт.

Использование специализированных процедур экстракции и секвенирования ДНК также позволило получить новые данные о другом обитателе коровьего рубца — "бактериофагах". Всего команда идентифицировала 188 взаимодействий бактерий и фагов, включая предпочтения хозяина, жизненный цикл и влияние на метаболическую активность микроба.

"С точки зрения прямого применения, знание микробного сообщества рубца будет иметь решающее значение для оценки эффективности использования корма крупным рогатым скотом и идентификации микробов, непосредственно способствующих производству молочного жира", — сказал Бикхарт.