Nuevo método para comparar genes que codifican proteínas enteras entre datos metagenómicos detecta un gradiente ambiental para la microbiota

En un estudio reciente publicado en la revista MÁS UNOinvestigadores de Japón compararon árboles filogenéticos basados ​​en datos proteómicos de la microbiota con dendrogramas de factores ambientales para determinar el papel de los gradientes ambientales en el establecimiento de comunidades microbianas.

Fondo

El papel de los factores ambientales como la temperatura, la humedad, el contenido de carbono y nitrógeno y el pH en el crecimiento microbiano ha sido bien estudiado. Determinar las correlaciones entre las comunidades microbianas cambiantes y los gradientes ambientales puede mejorar nuestra comprensión de cómo los principales factores ambientales influyen en las comunidades microbianas.

Con el avance de las tecnologías de secuenciación en las últimas décadas y el desarrollo de herramientas bioinformáticas más rápidas y eficientes, se han vuelto factibles métodos como la secuenciación de escopeta metagenómica completa para identificar nuevas especies, genes funcionales y rutas metabólicas.

Con acceso a mayores cantidades de datos genómicos y proteómicos y herramientas filogenéticas avanzadas, se pueden examinar en detalle las similitudes y relaciones entre especies y comunidades microbianas y las correlaciones con factores ambientales.

Sobre el estudio

El presente estudio desarrolló un método llamado filogenia metagenómica por similitud de secuencia promedio (MPASS) basado en la similitud de secuencia promedio para comparar los datos proteómicos obtenidos de la secuenciación de escopeta del genoma completo.

Para probar la precisión de MPASS en la detección de similitudes de secuencia, dos conjuntos de datos simulados de datos metagenómicos de cinco especies bacterianas: Acidobacterium capsulatum, Bacteroides fragilis, Nitrosospira multiformis, Proteus mirabilisy Sulfolobus islandicus — se analizaron utilizando MPASS y se utilizaron para construir árboles filogenéticos. Se observaron las relaciones de orden de ramificación y las composiciones de especies bacterianas.

Luego, el método se aplicó a un conjunto de datos metagenómicos del suelo existente que comprende 16 muestras de biomas ecológicos distintos, como la tundra, los desiertos fríos, los desiertos cálidos, los bosques y las praderas. MPASS también se utilizó para analizar un conjunto de datos metagenómicos acuáticos que comprende 35 muestras de un respiradero hidrotermal de aguas profundas, océanos, lagos y aguas termales.

Además, las ramas de las aguas termales de Kirishima del árbol metagenómico acuático se utilizaron en un programa llamado TREEDIST para comparar cuantitativamente el árbol filogenético basado en el metagenoma con un dendrograma de parámetros ambientales. Los parámetros informados de las aguas termales fueron turbidez, pH y concentraciones de carbono orgánico, nitrógeno total e iones de cobre, zinc y sulfato.

Además, también se analizó el número de genes y especies distribuidos en varios metagenomas del mismo linaje y el número de genes compartidos entre metagenomas similares.

Resultados

Los resultados informaron que el método MPASS podía construir con precisión árboles metagenómicos a partir de muestras metagenómicas de suelo y agua simuladas y reales, con una agrupación correcta de las muestras en el conjunto de datos.

Además, cuando se usó el árbol metagenómico para inferir correlaciones entre las transiciones del microbioma y los factores ambientales, los órdenes de ramificación de las muestras de los respiraderos hidrotermales y los grupos de aguas termales se correlacionaron con la distancia de las fuentes de calor, así como con el aumento de las temperaturas en los sitios de muestreo.

El árbol metagenómico construido con el método MPASS pudo determinar las transiciones del microbioma que ocurrieron con los gradientes ambientales cambiantes. La topología del árbol también reflejó los niveles funcionales y taxonómicos de la dinámica microbiana. Para el conjunto de datos metagenómicos de microbios del suelo, el árbol filogenético separó las muestras en tres grupos: desierto cálido, desierto frío y biomas verdes que consisten en pradera, bosque y tundra. De acuerdo con estudios previos, los grupos reflejaron similitudes en el pH del suelo.

El árbol agrupó las muestras según los biomas de agua dulce y agua de mar para el conjunto de datos metagenómicos acuáticos. epsilonproteobacteria, como campilobacterias que reducen el azufre, se encontraron en abundancia en y alrededor de los respiraderos hidrotermales, y la abundancia disminuyó a medida que aumentaba la distancia desde los respiraderos. Dentro del grupo de agua de mar, había tres subgrupos basados ​​en la ubicación geográfica y más diferencias en la ramificación según la profundidad de la muestra. Las muestras de agua dulce se subagruparon en función del lago y los biomas de aguas termales.

El árbol metagenómico fue similar a los dendrogramas de varios factores ambientales, incluido el potencial de oxidación-reducción, los iones de vanadio, la concentración de sulfato y el nitrógeno orgánico total, totalmente orgánico, orgánico disuelto y orgánico en partículas. Aeróbico, metabolizador de azufre Crenarchaeota y anaeróbico Aquificae se encontraron en regiones altamente turbias o transparentes de las aguas termales, respectivamente.

Conclusiones

En general, los resultados indicaron que el método MPASS desarrollado en este estudio clasificó con precisión los datos proteómicos completos derivados mediante la secuenciación de escopeta metagenómica basada en la similitud de secuencia. El árbol metagenómico construido con MPASS fue útil para determinar las correlaciones con los gradientes ambientales.