对多种细菌的探索标志着基因功能预测的巨大进步

在空气中，在海洋表面下和陆地上，微生物是调节地球大部分生物地球化学循环的微小但强大的力量。为了更好地理解他们的角色，科学家们努力识别这些微生物并确定他们的个人贡献。虽然测序技术的进步使得研究人员能够访问数千种微生物的基因组并将其公之于众，但没有发生类似的转变，即将功能分配给未发现的基因。

为了帮助克服这一瓶颈，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家，包括美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)的研究人员，开发了一种工作流程，可以进行大规模的全基因组分析。在许多条件下的基因重要性这项名为“数千种未知功能细菌基因的突变表型”的研究发表在Nature杂志上，是迄今为止发表的最大的细菌功能基因组学研究。

伯克利实验室生物科学领域的资深作者和生物学家Adam Deutschbauer说：“这是第一次尝试将功能分配给未知功能的细菌基因的大型系统实验性尝试。”“我们正在解决生物学反对和认识的问题：它很容易进行测序，但我们目前无法为通过测序鉴定的大多数基因分配自信的功能。我们的实验数据提供了其他研究人员可以用来制作的锚点。关于蛋白质功能的更明智的推断。“

通过对来自不同属的近三十种细菌的测试，该工作流程结合了高通量遗传学和比较基因组学，以鉴定具有先前未知功能的数千个基因的突变表型。

了解地球遗传潜力的技术

该团队研究了32种细菌，包括促进植物生长的细菌和与生物燃料生产相关的蓝细菌，以及参与生物修复的细菌。“通常，研究人员致力于从有限数量的'主力'细菌中对个体基因组进行功能分析，”JGI科学家Matt Blow说，该研究的共同作者。“这是因为与高通量测序相比，功能分析方法的能力有限。在这里，您可以同时获得32种不同细菌的数据，从而捕获更多的微生物多样性。”

为了更有效地为每种细菌生成突变体文库，该团队改进了DNA条形码测序方法，称为RB-TnSeq(随机条形码转座子测序)。“这项工作的意义在于它可以通过适当的投资和协调 - 与其他方法结合 - 进行扩展，从而为了解地球的遗传潜力带来实质性益处，”资深教授科学家和共同通讯作者Adam Arkin说。。

“该项目背后的技术旨在阐明我们在田间收集的所有生物的遗传功能，并了解在不同环境中生物体健康的重要性，”他补充说，他是伯克利实验室ENIGMA科学重点领域的联合主任。，美国能源部科学办公室规模最大，运行时间最长的环境生物学计划。“我们相信，要了解手段 - 给定适当的数据 - 您应该能够预测，控制和设计感兴趣的系统中的行为。”

保守表型提示功能关联

Deutschbauer指出，由此产生的大数据集使团队能够从生物体内的保守表型中收集见解，并寻找基因之间的共同适应模式，两种基因在所有条件下具有相似的表型模式的情况，建议的相关性他们可能是同一道路的一部分。例如，他们发现具有未表征的蛋白质结构域UPF0126的基因对于11种不同细菌中甘氨酸的生长是重要的，这表明该蛋白质结构域参与将甘氨酸运输穿过细胞膜。他补充说，研究这种保守的关联，证明了鉴定多种细菌物种中同源基因的表型的价值。

“之前不可能对细菌进行比较功能基因组学研究，因为大型遗传数据集仅适用于少数细菌，而确实存在的那些通常不会使用相同的技术，相同的方法或相同的元数据生成，因此这很难做比较，“他说。“尽管我们通过实验研究了与自然界中存在的多样性相比较少的细菌，但我们的数据与所有细菌相关。例如，大约12%的细菌中所有未表征的蛋白质都具有同源蛋白质，具有功能性表型关联。我们的数据集。“

该数据集可公开访问fit.genomics.lbl.gov进行比较分析，该研究的主要作者是Morgan Price开发的网络工作台，他还开发了PaperBlast等强大的工具来帮助解释结果。

Arkin还看到了将这一数据集整合到JGI的IMG / M系统和DOE系统生物知识库(KBase)等系统的未来收益，这是第一个允许用户在一个单一内容上传，分析和共享信息的大规模生物信息系统。综合环境。

“这些数据集为数据科学创新提供了绝佳的机会来预测生物功能，”KBK首席执行官兼首席调查员Arkin说。“在KBase，我们已经与JGI合作，将这样的数据与系统发育，同源性和化学相似性关系整合在一起，在生命之树中传播这些信息，并投射，例如，改进生物体和群落的代谢模型，以便我们可以预测最能影响增长的条件。“

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