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先进的基因组组装技术有助于解析宏基因组样本相关的微生物

作者:Magigen

一项新的研究发现长读测序和染色体构象分析的能力可以促进从复杂的宏基因组样本中恢复密切相关的微生物基因组。

在美国农业部和加州大学圣地亚哥分校的研究人员的带领下,该团队使用Pacific Bioscience的HiFi测序数据和Phase Genomics的Hi-C 连动数据,从绵羊粪便样本中生成完整的宏基因组组装基因组 (MAG)。他们能够识别出完整度超过 90% 的 428 个 MAG,其中 44 个位于单个圆形重叠群中。此外,它们可以解析密切相关的微生物,改进用于产生抗生素分子的生物合成基因簇的识别,并更精确地将移动遗传元件分配给宿主基因组。

研究人员使用Hi-C数据确定了1,400 个完整和 350 个不完整的生物合成基因簇,其中大部分是新的,以及 424 个潜在的宿主 - 病毒关联, 包括298个宿主 - 质粒关联。

这项研究为使用新技术从微生物组样本中获取多少信息设置了标准,包括从样本中提取的**数量的基因组,重建数百个新菌株和病毒基因组,以及从单个样本中跟踪移动元素。

这项工作建立在基因组组装的最新进展之上,这包括帮助端粒到端粒联盟Telomere-to-Telomere Consortium 在 2020 年创建**个无间隙人类染色体组装,以及2021 年 6 月完成的人类基因组组装。

之前的宏基因组学几乎从未产生过单个完整基因组的组装。使用高保真技术可以让我们生成一幅几乎完整的元基因组图像,而不仅仅是一个组装碎片。

与人类基因组组装一样,组装细菌基因组的研究人员受到了长而高度重复的区域的阻碍,这些区域很难被短读技术所处理。对于人类来说,这些是着丝粒;对于细菌来说,它们是生物合成基因簇。

研究人员单独使用HiFi reads分析基因组,以及使用Hi-C数据对重叠群进行分组分析。为了整合基因组,他们使用了metaFlye,这是Pevzner实验室开发的一种基于图形的组装算法。他们还使用PacBio的一个程序MAGPhase,从单个样本中区分非常相似的细菌菌株。

这样做并非没有风险:一些大肠杆菌菌株是无害的,另一些则是致命的。

生物合成基因簇种类繁多,因此抗生素种类繁多,而我们还不清楚他们的运作机理。而这些改进的组件的可以带来广泛的应用。例如,对生物合成基因簇进行测序的能力可以立即应用于抗生素的药物开发。

对绵羊和其他家畜微生物群进行表征也有助于开发减少疾病和温室气体排放的方法,同时提高生产力。菌株级基因组解析将有助于追踪与抗生素耐药性相关的基因,并确定畜牧业可能在多大程度上导致人类和动物疾病的抗生素耐药性上升。

研究人员不久将开始在人类微生物样本上使用这些方法。与已经应用于罕见疾病**的完整基因组学一样,完整的宏基因组学可能很快进入医学和许多其他学科领域。

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