MaxBin: Автоматическая сортировка метагеномов

Микробы, доминирующие в каждой экосистеме Земли, обладают удивительной способностью расщеплять биомассу растений и превращать её в другие химические продукты. Использование этого потенциала может революционизировать энергетику, медицину и другие области. Ключевую роль здесь играет метагеномика — технология, позволяющая прочитать все геномы микробного сообщества в образце одновременно. Однако, поскольку даже чайная ложка почвы может содержать миллиарды микробов, критически важно уметь выделять геномы отдельных видов из метагеномной последовательности.

Для этого в Объединённом институте биоэнергетики (JBEI) Министерства энергетики США под руководством Стива Сингера разработали программу MaxBin. Она автоматически проводит бининг (сортировку) геномов отдельных видов микробов из метагеномных последовательностей, облегчая анализ некультивируемых популяций, которые могут быть ключом к производству новых материалов, например, биотоплива или фармацевтических препаратов.

"MaxBin автоматизирует бининг собранных метагеномных скаффолдов, используя алгоритм максимизации ожидания (expectation-maximization). Предыдущие методы требовали либо значительной работы пользователя, либо большого количества образцов для сравнения. MaxBin требует всего один образец и работает "в одно нажатие кнопки", — говорит Стив Сингер.

Ключ к успеху MaxBin — алгоритм максимизации ожидания, разработанный постдоком Ю-Вей У. Этот алгоритм классифицирует последовательности по дискретным бинам, представляющим геномы отдельных популяций в сообществе.

"MaxBin объединяет информацию о частотах тетрануклеотидов и уровнях покрытия скаффолдов, чтобы организовать последовательности в индивидуальные бины, которые предсказываются по первоначальной идентификации маркерных генов", — объясняет Ю-Вей У.

MaxBin успешно протестировали на образцах проекта "Микробиом человека" и компоста из зелёных отходов. В тестах, проведённых стажёром Юнг-Цу Таном, программа показала высокую точность в восстановлении отдельных геномов из наборов данных с переменным покрытием секвенирования.

"Применение MaxBin к целлюлолитическому консорциуму позволило нам идентифицировать ряд некультивируемых целлюлолитических бактерий, включая миксобактерию с remarkably reduced genome и расширенным набором генов для разрушения биомассы. Это показывает, что процесс восстановления геномов из метагеномных данных можно применять для понимания распада биомассы в окружающей среде", — отмечает Сингер.

Сейчас MaxBin используют в JBEI для разработки микробного производства advanced biofuels (бензина, дизельного и авиационного топлива) из растительной биомассы. Программа также доступна для скачивания, и на сегодняшний день к ней получили доступ более 150 исследователей.

Подробное описание MaxBin опубликовано в журнале Microbiome в статье "MaxBin: an automated binning method to recover individual genomes from metagenomes using an expectation-maximization algorithm".