Все в семействе: Целенаправленные геномные сравнения
Грибы рода Aspergillus, встречающиеся в микробных сообществах по всему миру, являются патогенами, редуцентами и важными источниками биотехнологически значимых ферментов. Известно, что каждый вид Aspergillus содержит более 250 углевод-активных ферментов (CAZymes), расщепляющих клеточные стенки растений и представляющих интерес для исследователей Министерства энергетики США (DOE), работающих над промышленным производством устойчивых альтернативных видов топлива из перспективных биоэнергетических культур. Кроме того, считается, что каждый грибной вид содержит более 40 вторичных метаболитов — малых молекул, способных выступать в качестве биотоплива и химических интермедиатов.
В исследовании, опубликованном на неделе 8 января 2018 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, команда под руководством исследователей из Технического университета Дании (DTU), Института совместных исследований генома DOE (JGI) и Объединенного института биоэнергетики DOE (JBEI) сообщает о первых результатах долгосрочного плана по секвенированию, аннотированию и анализу геномов 300 грибов Aspergillus. Эти результаты являются доказательством концепции новых методов функциональной аннотации геномов для более быстрой идентификации генов, представляющих интерес.
«Это первый результат крупномасштабного секвенирования 300+ видов Aspergillus», — сказал соавтор исследования Игорь Григорьев. «Используя Aspergillus, мы секвенируем множество близкородственных геномов, чтобы выявить и сравнить различия между ними. Сравнительный анализ близкородственных видов с различными метаболическими профилями может привести к отображению относительно небольшого числа видоспецифичных кластеров генов вторичного метаболизма на относительно небольшое число уникальных метаболитов».
Видовое разнообразие, химическое разнообразие
В исследовании команда секвенировала и аннотировала 6 видов Aspergillus; 4 из них были секвенированы с использованием платформы Pacific Biosciences, что дало геномные сборки очень высокого качества, которые могут служить референсными штаммами для будущих сравнительно-геномных анализов. Проведенный сравнительный анализ с участием этих геномов и других геномов Aspergillus позволил команде идентифицировать биосинтетические кластеры генов для интересующих вторичных метаболитов.
«Мы выбрали четыре вида, которые были отдаленно родственны», — сказал старший автор исследования Микаэль Р. Андерсен. «С этим разнообразием приходит и химическое разнообразие, поэтому мы смогли найти гены-кандидаты для некоторых очень разнообразных типов соединений. Это было основано на новом методе анализа, разработанном первым автором Инге Кьярбеллинг. Более того, мы также показали, как укрепить такие предсказания для данного соединения, секвенируя дополнительные геномы видов, известных как продуценты этого соединения».
Соавтор Скотт Бейкер объяснил, почему важны гены-кандидаты для разнообразных соединений: «Вторичные метаболиты важны, потому что представляют собой такую интересную и новую химию в отношении биосинтеза молекул, которые могут быть биотопливом, его предшественниками или биопродуктами. Мы показываем, что использование сравнительной геномики может эффективно приводить к разумным предсказаниям кластеров генов, вовлеченных в биосинтетические пути».
Aspergillus в Mycocosm
Григорьев добавил, что на сегодняшний день опубликовано около 30 геномов Aspergillus, еще 25 геномов общедоступны на портале грибных геномов JGI Mycocosm, а более 100 геномов находятся в процессе секвенирования и анализа.
По мере того как JGI продолжает выполнять свой стратегический план по превращению в пользовательский объект, способный к функциональной геномике, такие междисциплинарные усилия становятся все более важными. Характеристика идентичности и ролей вторичных метаболитов, а также генов, необходимых для их генерации, критически важна для этого и может предоставить потенциальные инструменты для улучшения способности перерабатывать рекальцитрантную биомассу в предшественники для биотоплива и биопродуктов.