Первый общедоступный ресурс для поиска вторичных метаболитов
Новый общедоступный ресурс использует богатство геномных и метагеномных данных о микроорганизмах, особенно из ранее не изученных сред, в системе Integrated Microbial Genomes (IMG). Его цель — поиск новых вторичных метаболитов, которые могут найти применение в самых разных областях — от биоэнергетики до медицины.
Эта база данных позволяет исследователям эффективнее использовать геномные данные, полученные с помощью современных технологий секвенирования, для идентификации новых малых молекул, важных для миссии Министерства энергетики США (DOE) в сфере биоэнергетики и окружающей среды.
Вторичные метаболиты — это органические соединения, не участвующие в таких функциях, как рост или размножение, но способные играть ключевую роль в регуляции, иммунитете или других жизненно важных путях организма. Многие из них, полученные из растений и микробов, имеют коммерческое применение. Например, терпены из различных растений, включая эвкалипт, используются в биоэнергетике.
В исследовании, опубликованном 14 июля 2015 года в журнале mBio, ученые из DOE Joint Genome Institute (пользовательского центра Управления науки DOE), Biosciences Computing Group в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Франциско описывают новую общедоступную базу данных для поиска биосинтетических кластеров генов и вторичных метаболитов. База данных называется IMG-ABC (Atlas of Biosynthetic gene Clusters) и является частью системы IMG. Она включает информацию из данных по одноклеточным организмам и метагеномам проекта Microbial Dark Matter DOE JGI.
Команда сообщила: «Впервые IMG-ABC связывает информацию о геномных путях биосинтеза вторичных метаболитов с информацией об их химической структуре в масштабе нескольких тысяч наборов данных. Благодаря тщательному контролю качества она сочетает прогностическую мощность современных вычислительных инструментов… с исчерпывающей аналитической структурой, предлагаемой семейством систем IMG. Это сочетание обладает мощным потенциалом, предсказывая как известные, так и новые пути биосинтетических генов в тысячах культивируемых изолятов, отдельных клеток и метагеномов».
Команда провела пилотное исследование «доказательства принципа», в ходе которого они проанализировали более 25 000 геномов изолированных микроорганизмов на наличие биосинтетических кластеров, содержащих как минимум шесть из семи основных генов, необходимых для производства феназина. Это соединение действует как переносчик электронов в метаболизме, встречается у бактерий, способных перерабатывать питательные вещества из отходов, а также служит основой для красителей и антибиотиков. Поиск дал почти 1000 совпадений и выявил потенциально новые пути синтеза феназина у Gammaproteobacteria, Betaproteobacteria и Actinobacteria, и даже, неожиданно, у бактерии, образующей клубеньки на корнях.
Обработка огромных объемов геномных и метагеномных данных требует высокопроизводительных вычислительных сред. В данном случае DOE JGI полагается на высокоэффективные ресурсы Национального центра научных вычислений для энергетических исследований (NERSC) для удовлетворения спроса на вычислительный доступ.
Руководитель суперпрограммы по прокариотам DOE JGI Никос Кирпидес упомянул о разработке IMG-ABC, обсуждая планы по дальнейшему улучшению базы данных IMG к её 10-летию: «В IMG уже заложен огромный функционал, но нам, безусловно, нужно продолжать добавлять его. Два основных направления в ближайшем будущем включают добавление большего функционала и эффективную поддержку роста данных/объёмов».