Finns i mikrobiella samhällen runt om i världen, Aspergillus svampar är patogener, nedbrytare, och viktiga källor till bioteknologiskt viktiga enzymer. Varje Aspergillus-art är känt för att innehålla mer än 250 kolhydrataktiva enzymer (CAzymes), som bryter ner växtcellväggar och är av intresse för forskare från Department of Energy (DOE) som arbetar med industriell produktion av hållbara alternativa bränslen med hjälp av kandidatgrödor för bioenergiråvara. Dessutom, varje svampart tros innehålla mer än 40 sekundära metaboliter, små molekyler med potential att fungera som biobränsle och kemiska mellanprodukter.

I en studie publicerad veckan den 8 januari, 2018 i Proceedings of the National Academy of Sciences , ett team ledd av forskare vid Danmarks Tekniske Universitet (DTU), DOE Joint Genome Institute (JGI), en användaranläggning för DOE Office of Science, och DOE:s Joint BioEnergy Institute (JBEI), leds av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapportera de första resultaten av en långsiktig plan för att sekvensera, kommentera och analysera genomen från 300 Aspergillus-svampar. Dessa fynd är ett bevis på konceptet för nya metoder för att funktionellt kommentera genom för att snabbare identifiera gener av intresse.

"Detta är det första resultatet från den storskaliga sekvenseringen av 300+ Aspergillus-arter, " sa studiens medförfattare Igor Grigoriev, chef för JGI Fungal Genomics Program. "Med JGI:s strategiska förändring mot funktionell genomik, denna studie illustrerar flera nya tillvägagångssätt för funktionell annotering av gener. Många tillvägagångssätt förlitar sig på experiment och går gen för gen genom individuella genom. Använder Aspergillus, vi sekvenserar många närbesläktade genom för att lyfta fram och jämföra skillnaderna mellan genom. En jämförande analys av närbesläktade arter med distinkta metaboliska profiler kan resultera i att ett relativt litet antal artspecifika sekundära metabolismgenkluster kan kartläggas till ett relativt litet antal unika metaboliter."

Arter mångfald, Kemisk mångfald

I studien, laget sekvenserade och kommenterade 6 Aspergillus-arter; 4 sekvenserades med hjälp av Pacific Biosciences-plattformen, producerar genomsammansättningar av mycket hög kvalitet som kan fungera som referensstammar för framtida jämförande genomiska analyser. En jämförande analys som involverade dessa genom och andra Aspergillus-genom - av vilka flera sekvenserades av JGI - utfördes sedan, och tillät teamet att identifiera biosyntetiska genkluster för sekundära metaboliter av intresse.

"En av de saker vi tyckte var intressanta här var mångfalden av arterna vi tittade på - vi valde fyra som var avlägset släkt, " sade seniorförfattaren i studien Mikael R. Andersen, Professor vid DTU. "Med den mångfalden kommer också kemisk mångfald, så vi kunde hitta kandidatgener för några mycket olika typer av föreningar. Detta baserades på en ny analysmetod som förstaförfattaren Inge Kjaerboelling utvecklade. Dessutom, vi visade också hur man solidifierar nämnda förutsägelser för en given förening genom att sekvensera ytterligare genom från arter som är kända för att producera föreningen. Genom att leta efter gener som finns i alla producentarter, vi kan elegant lokalisera generna."

Studie medförfattare Scott Baker, en svampforskare vid Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility belägen vid Pacific Northwest National Laboratory, och en medlem av JBEI:s dekonstruktionsavdelning, förklarade varför det är viktigt att hitta kandidatgener för olika föreningar. "De sekundära metaboliterna är viktiga eftersom de representerar en så intressant och ny kemi med avseende på biosyntesen av molekyler som kan vara biobränslen, biobränsleprekursorer eller bioprodukter, ", sade han. "Även om det är en betydande ansträngning att bestämma strukturerna för renade sekundära metaboliter, det är ofta relativt okomplicerat. Dock, Att koppla dessa molekyler till deras biosyntetiska vägar kan vara ganska utmanande. Vi visar att användning av jämförande genomik effektivt kan leda till rimliga förutsägelser av genkluster involverade i biosyntetiska vägar."

Aspergillus i Mycocosm

Grigoriev tillade att hittills, cirka 30 Aspergillus-genom har publicerats, ytterligare 25 genom är allmänt tillgängliga från JGI svampgenomsportalen Mycocosm (genome.jgi.doe.gov/Aspergillus), och över 100 genom sekvenseras och analyseras.

När JGI fortsätter att uppfylla sin strategiska plan för att utvecklas till mer av en funktionell genomik-kapabel användarfacilitet, integrera genomisk sekvens, uttryck, beräknings- och metaboliska analyser, och biokemisk information till en mer komplett bild av biologi som är relevant för DOE-uppdrag, anläggningsövergripande och tvärvetenskapliga insatser som denna kommer att bli ännu viktigare. Karakterisera identiteten och rollerna för sekundära metaboliter, och generna som behövs för deras generation, är avgörande för detta arbete och kan ge potentiella verktyg för att förbättra förmågan att bearbeta motsträvig biomassa till prekursorer för biobränslen och bioprodukter.