استفاده از متاژنومیکس برای کشف دنیای گسترده و مرموز ماده تاریک میکروبی

ما چیزهای زیادی در مورد میکروب ها نمی دانیم، حتی اگر این موجودات بیش از همه روی کره زمین باشند. یک مطالعه اخیر به نام درک ما از زندگی میکروبیعمیقا نادان“، و این واقعیت را برجسته کرد که ما حتی نمی توانیم بگوییم که تنوع زیستی میکروبی در حال افزایش، کاهش یا ثابت ماندن است. میکروب‌های زیادی وجود دارد که محققان در تلاش برای یافتن راه‌هایی برای انسان‌ها برای تجسم این تعداد عظیم هستند. مثلا، گفته شده است که100 میلیون برابر بیشتر باکتری در اقیانوس ها وجود دارد (13×10²⁸همانطور که ستارگان در جهان شناخته شده وجود دارد.” میکروب های زیادی در پلاک دندان وجود دارد که فقط یک گرم از این ماده تقریباً به تعداد افرادی که تاکنون وجود داشته است (حدود 1 × 10) است.¹¹). (تخمین زده شده است که فقط حدود 1500 پاتوژن میکروبی می تواند انسان را آلوده کند، که نشان می دهد چند میکروب برای ما بی ضرر یا بالقوه مفید هستند).

دانشمندان اخیراً شروع به کاوش در این دنیای ناشناخته وسیع کرده اند که گاهی اوقات ماده تاریک میکروبی نامیده می شود. مطالعه جدیدی که در Nature گزارش شده است، از ابزارهای متاژنومی برای افشای اطلاعات بیشتر در مورد باکتری های مرموز استفاده کرده است. محققان از ابزارهای محاسباتی قدرتمندی برای ارزیابی 1.2 میلیارد پروتئین میکروبی، برخی باکتریایی و برخی ویروسی استفاده کردند. یافته ها هستند گزارش شده در طبیعت.

این تلاش از یک مجموعه داده عظیم (مانند آنچه در ویدیوی زیر توضیح داده شده است) بهره مند شد، شامل اطلاعاتی از بیش از 26000 میکروبیوم، که برای ایجاد کاتالوگ از خانواده های پروتئین متاژنومی جدید (NMPFs) استفاده شد. نیکوس کرپیدز، نویسنده ارشد مطالعه، نویسنده ارشد مطالعه و رئیس گروه علوم داده میکروبیوم در مؤسسه ژنوم مشترک (JGI) پیشنهاد کرد که عملکردهای جدید برای این خانواده های پروتئینی اکنون قابل پیش بینی یا مقایسه مجموعه داده های جدید با آنها است.

در این کار، محققان با 8 میلیارد ژن متاژنومیک شروع کردند، سپس تمام ژن هایی را که شباهت هایی با ژن های توصیف شده داشتند حذف کردند. حدود 1.2 میلیارد ژن ناشناخته باقی مانده است. آنها در گروه ها یا خانواده ها دسته بندی شدند. سپس محققان بر روی خانواده های پروتئینی که 100 نفر یا بیشتر داشتند تمرکز کردند. این مطالعه به این نتیجه رسید که در بین این خانواده های پروتئینی بیش از دو برابر بیشتر از ژن های مرجع میکروبی تنوع وجود دارد. ممکن است تنوع بیشتری نیز وجود داشته باشد زیرا هنوز همه پروتئین های میکروبی اضافه نشده اند.

جورجیوس پاولوپولوس، نویسنده اصلی این مطالعه که اکنون مدیر تحقیقات مرکز تحقیقات علوم زیست پزشکی الکساندر فلمینگ است، می گوید: «ما تعداد خانواده های پروتئینی شناخته شده تاکنون را بیش از دو برابر کرده ایم و بسیاری از پیش بینی های ساختاری جدید را شناسایی کرده ایم.

مطالعه ماده تاریک میکروبی به دلایل مختلفی بسیار چالش برانگیز است، یکی از آنها این است که شرایط رشد این میکروب ها اغلب ناشناخته است و کشت آنها در آزمایشگاه برای تحقیق می تواند دشوار باشد. تکثیر جوامع میکروبی یا میکروبیوم‌ها می‌تواند دقیقاً در آزمایشگاه تقریباً غیرممکن باشد، زیرا آنها از ترکیبی طبیعی از میکروب‌ها که اغلب به روش‌های منحصربه‌فردی رفتار می‌کنند، ناشی می‌شوند. با این حال، تجزیه و تحلیل ژنوم میکروبی آنها می تواند بینش های زیادی ارائه دهد.

با این حال، مطالعات ژنتیکی اغلب بر توالی های مرجع تکیه می کنند. بدون هیچ چیز برای مقایسه یک توالی، فقط یک رشته دیگر از بازهای نوکلئوتیدی است.

برخی از پروتئین‌ها و ژن‌های میکروبی وجود دارند که مشابه آن‌هایی هستند که قبلاً شناخته شده‌اند و در برخی موارد به خوبی شناخته شده‌اند. اما در موارد دیگر، ژن‌ها یا پروتئین‌های میکروبی کاملاً با هر چیزی که توضیح داده شد متفاوت است. این نوع اطلاعات اغلب بی فایده است. با این حال، ابزارهای محاسباتی مانند هوش مصنوعی می توانند به تغییر آن کمک کنند. دانشمندان همچنین در حال بررسی این ژن ها و پروتئین های اسرارآمیز هستند تا بیشتر در مورد آنها بیاموزند.

پاولوپولوس گفت: «در این تلاش، ما نه تنها وارد قلمروی ناشناخته برای درک چشم‌انداز وسیع تنوع عملکردی شدیم، بلکه با استفاده از روش‌های هوش مصنوعی برای کشف نقش‌های آن‌ها، مرزها را نیز پشت سر گذاشتیم. بنابراین، ما مخزن وسیعی از بینش‌های نوآورانه را جمع آوری کرده‌ایم که افق عملکردهای بالقوه را در دسته‌های مختلف پروتئین‌ها، از جمله آن‌هایی که کاربردهای عمده در بیوتکنولوژی دارند، مانند آنزیم‌های ویرایش DNA، به میزان زیادی گسترش می‌دهند.

https://www.youtube.com/watch?v=eEtK3IPYH-k

با این حال، ما هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری در مورد این پروتئین ها داریم. این مطالعه عملکرد این پروتئین ها را مورد بررسی قرار نداد. با این حال، تجزیه و تحلیل ساختاری انجام شده است، که نشان می‌دهد برخی از این پروتئین‌ها شکلی بر خلاف آنچه قبلا دیده شده‌اند، در حالی که برخی دیگر شباهت‌هایی با برخی از ساختارهای پروتئینی شناخته‌شده دارند.

کرپیدس گفت: “هنوز 70 تا 80 درصد از تنوع میکروبی شناخته شده وجود دارد که هنوز از نظر ژنومی کشف نشده است.” بنابراین این تنوع قطعاً از نظر تنوع عملکردی نیز اسرار جدیدی را در خود دارد.”

منابع: آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، طبیعت