phyloFlash: новое ПО для быстрого и простого анализа микробов из окружающей среды

Традиционно микробиологи идентифицируют организмы с помощью гена малой субъединичной рибосомальной РНК (SSU rRNA). Этот ген-маркер позволяет определить почти любой живой организм и поместить его на древо жизни. Зная положение организма, можно создать специфичные ДНК-зонды для его визуализации с помощью метода FISH (флуоресцентная гибридизация in situ). Этот подход — от ДНК к гену, древу, зонду и изображению — называется «полным циклом rRNA».

Обычно SSU rRNA амплифицируют с помощью ПЦР (PCR). Однако сегодня ПЦР всё чаще заменяется метагеномикой, которая изучает совокупность всех генов в среде обитания. Современные методы позволяют быстро получать большие объёмы метагеномных данных. Их анализ проводится с использованием коротких фрагментов последовательностей ДНК — короче гена SSU rRNA, — которые затем собирают в метагеномно-собранные геномы (MAGs). Короткие фрагменты не дают полной SSU rRNA, и даже во многих MAGs этот важный ген-маркер отсутствует. Это затрудняет молекулярную идентификацию организмов в метагеномах, их сравнение с базами данных и визуализацию с помощью FISH.

phyloFlash предлагает решение

Исследователи из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене представили метод, который устраняет этот пробел и позволяет реконструировать и анализировать SSU rRNA из сырых метагеномных данных. «Это программное обеспечение под названием phyloFlash, свободно доступное через GitHub, объединяет полный цикл rRNA для идентификации и визуализации некультивируемых микроорганизмов с метагеномным анализом», — объясняет Харальд Грубер-Водичка, главный разработчик метода. «phyloFlash включает все необходимые шаги: от подготовки базы данных геномов (в данном случае SILVA), извлечения данных и таксономической классификации до сборки и связывания последовательностей SSU rRNA с MAGs». Кроме того, ПО очень удобно для пользователя, а его установка и применение в значительной степени автоматизированы.

Особенно подходит для простых сообществ

Грубер-Водичка и его коллега Брэндон Си (первые авторы публикации в журнале mSystems) занимаются исследованиями симбиоза. Сообщества, с которыми они работают, сравнительно просты: обычно организм-хозяин живёт вместе с одним или несколькими микробными симбионтами. Такие сообщества особенно хорошо подходят для анализа с помощью phyloFlash. «Например, мы много исследуем глубоководную мидию Bathymodiolus, в которой обитает несколько бактерий-сожителей», — говорит Грубер-Водичка. «С помощью этого хорошо изученного сообщества мы смогли проверить, насколько надёжно работает phyloFlash». Действительно, новое ПО надёжно идентифицировало как саму мидию, так и её различных симбионтов. Нико Лайш, также исследователь симбиоза в институте, протестировал phyloFlash на мелких морских круглых червях (нематодах). Анализ показал, что некоторые виды этих червей могут быть связаны с симбионтами. «Эти захватывающие намёки подчёркивают большой потенциал нашего простого и быстрого метода», — отмечает Грубер-Водичка.

OpenSource и универсальность

phyloFlash — это ПО с открытым исходным кодом (OpenSource). Обширная документация и активное сообщество обеспечивают его постоянное тестирование и развитие. «phyloFlash, безусловно, интересен не только микробиологам», — подчёркивает Грубер-Водичка. «Уже сейчас множество учёных из разных областей используют наше программное обеспечение. Простая установка, безусловно, помогла в этом, снизив порог входа». Эта простота доступа и интерактивный характер также особенно важны для Брэндона Си, который сейчас работает в Институте биологии развития Макса Планка: «Самое приятное для меня в этом проекте — видеть, как другие люди используют наше ПО для продвижения собственных исследований», — говорит Си. «С самого начала мы добавляли функции и развивали программное обеспечение в ответ на отзывы пользователей. Эти пользователи — не только коллеги по коридору, но и люди с другой стороны мира, которые попробовали его и связались с нами через интернет. Это подчёркивает, насколько открытый исходный код более продуктивен и полезен как для разработки ПО, так и для науки».