Ein neues Kapitel über Actinobakterien in der Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea

(Braunschweig/Berkeley, 21. November 2022): Die mikrobielle Vielfalt auf unserem Planeten ist immens, doch ein Großteil davon ist noch unbekannt. Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten Forschende aus aller Welt mit dem Joint Genome Institute (JGI) des US-Energieministeriums (DOE) am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zusammen, um diese Wissenslu?cken zu schließen. In einer Studie, die am 11. November 2022 in der Fachzeitschrift Cell Genomics vero?ffentlicht wurde, konzentrierte sich das internationale Team von Forschenden auf Actinobacteria (Actinomycetota), eine Gruppe von Bakterien mit vielfa?ltigen Stoffwechselaktivita?ten. Actinobakterien kommen in marinen und terrestrischen Umgebungen vor und spielen sowohl im Kohlenstoff- als auch im Stickstoffkreislauf eine wichtige Rolle. Sie sind in der Lage, Pflanzenmasse abzubauen - ein Prozess, der fu?r die Herstellung von Biokraftstoffen nutzbar ist – und verbessern die Pflanzengesundheit. Sie ko?nnen Krankheiten verursachen, aber auch Antibiotika produzieren. Dennoch geht das Team der Forschenden davon aus, dass genomische Informationen aktuell nur fu?r einen Bruchteil der existierenden Vielfalt bei den Aktinobakterien verfu?gbar sind.

Die aktuelle Publikation erga?nzt das Kompendium, das im Rahmen der Initiative Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea (GEBA) erstellt wurde. "Dieses Projekt hat dazu beigetragen, die aktuelle Form des mikrobiellen Stammbaums des Lebens zu definieren, indem es die genomischen Informationen fu?r Tausende seiner A?ste erga?nzt hat", sagte Natalia Ivanova, Hauptautorin der Studie und Leiterin der Microbiome Annotation Group des JGI. Viele dieser mikrobiellen Genomsequenzen wurden mit Hilfe von Techniken erstellt, bei denen das JGI Pionierarbeit geleistet hat, darunter Einzelzellgenomik und Metagenomik. Die GEBA-Initiative hat auch eine extrem umfangreiche Sammlung von Typstamm-Isolaten genutzt, die vom Leibniz-Institut DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH bereitgestellt wurde. Das Leibniz-Institut DSMZ ist die weltweit vielfa?ltigste Bioressourcen-Sammlung und hat seinen Sitz in Braunschweig auf dem Science Campus Braunschweig-Su?d. Die DSMZ verfu?gt nicht nur u?ber eine standardisierte Kultursammlung von ho?chstem internationalem Renommee, aus der Forschende verschiedene Bioressourcen fu?r weiterfu?hrende Arbeiten beschaffen ko?nnen, sondern unterha?lt auch verschiedene bioinformatische Werkzeuge und umfassende kuratierte Datenbanken, einschließlich nomenklatorischer und genomischer Informationen sowie wichtiger beschreibender Metadaten zu jedem Bakterien-Stamm. "Dies war insgesamt eine sehr fruchtbare Zusammenarbeit zwischen JGI und DSMZ, die nicht nur zu wertvollen Sequenzen fu?hrte, die die umfangreichen Informationen zu Sta?mmen der DSMZ erga?nzt, sondern auch zu vielen weithin sichtbaren Publikationen", betonte Bioinformatiker Markus Go?ker, der die Produktion genomischer DNA an der DSMZ fu?r GEBA-Actino und a?hnliche Projekte leitet.

Das BGC-Repertoire in Actinobakterien

Im Laufe der Jahre wurden mehr als 3.400 Genome von kuratierten DSMZ-Isolaten sequenziert, fu?r die das Braunschweiger Team an der DSMZ hochwertige DNA zur Verfu?gung gestellt hat. Diese Sta?mme wurden physiologisch und enzymatisch charakterisiert und es wurde beschrieben, wie ihre Aktivita?ten biochemische Reaktionen beeinflussen. Allein fu?r diesen Artikel wurden mehr als 600 Genome (genannt "GEBA-Actino") aus DSMZ-Typstammdepots sequenziert. Diese Genomsequenzen und die Werkzeuge zu ihrem Vergleich sind jetzt vollumfa?nglich auf dem Portal Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M) des JGI verfu?gbar.

Im Rahmen einer vergleichenden Analyse wurden 824 neue GEBA-Actino-Genomsequenzen mit fast 5.000 o?ffentlich verfu?gbaren Sequenzen und 1.100 Metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) kombiniert, die in einer fru?heren Studie aus sequenzierten Umweltproben rekonstruiert wurden. Im Einklang mit den strategischen Initiativen des JGI analysierte das JGI-Team u?ber 80.000 biosynthetische Gencluster (BGCs) fu?r die Synthese von Sekunda?rmetaboliten. Diese spezialisierten Verbindungen versetzen Organismen in die Lage, auf Umweltbelastungen zu reagieren oder Interaktionen untereinander zu vermitteln - manchmal antagonistische Interaktionen u?ber antimikrobielle Mittel - und ko?nnten in vielen Bereichen Anwendung finden. Das JGI-Team entdeckte, dass der weit verbreitete horizontale Gentransfer und der ha?ufige Genverlust das BGC-Repertoire in den meisten Genomen pra?gt. Die BGC-Daten sind jetzt auch im Portal des Secondary Metabolism Collaboratory(SMC) des JGI enthalten (smc.jgi.lbl.gov).

Einzigartiger Wert der isolierten Genome

Eine wiederholte Erkenntnis in der Studie ist der einzigartige Wert von aus Isolaten sequenzierten Genomen im Gegensatz zu Genomen von nicht kultivierten Taxa. Das Zusammensetzen von MAGs aus Sequenzfragmenten aus der Umwelt kann zu hochwertigen, aber unvollsta?ndigen Genomsequenzen fu?hren, die die Analysen verfa?lschen ko?nnten. MAGs ko?nnen auch ganze Populationen repra?sentieren, bei denen einzelne Sta?mme vermischt wurden, wa?hrend diese Probleme bei Referenzisolaten in der Regel nicht auftreten. "Insbesondere fu?r die Entdeckung von Sekunda?rmetaboliten ist dies wichtig. Der Bedarf an qualitativ hochwertigen Genomsequenzen von Isolaten ist eindeutig", sagte Rekha Seshadri, Hauptautorin der Studie. "Und selbst wenn man Actinobacteria nicht zugeneigt ist, hoffen wir, dass die Herkunftsanalyse der Proben neuartiger Linien das Interesse an Kultivierungsbemu?hungen weckt, die auf wenig untersuchte Umweltproben abzielen. Selbst herko?mmliche Kultivierungsansa?tze, die auf relativ leicht zuga?ngliche Proben wie Seen und Flu?sse angewandt werden, ko?nnten dazu beitragen, die Lu?cken zu schließen", fu?gte sie hinzu.

Text: PR Leibniz-Institut