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| 形成 | 2010 |
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| Webサイト | 地球マイクロバイオーム |
地球マイクロバイオームプロジェクトは、ジャネット・ヤンソン、ジャック・ギルバート、ロブ・ナイトによって2010年に設立された、世界中の自然サンプルを収集し、微生物の生命を分析する取り組みです。 [1]
EMPは、さまざまなバイオームから最大20万のサンプルを処理し、地球上の微生物のデータベースを作成し、微生物の構成と相互作用によって環境と生態系を特徴付けることを目的としました。[2]
EMPのウェブサイトは何年も更新されておらず、プロジェクトは終了したと考えられています。[3]
俳優
地球マイクロバイオームプロジェクト（EMP）は2010年に開始され、2018年1月現在、IBMリサーチとアトランタ動物園を除く161の機関がリストアップされている。クラウドソーシングは、ジョン・テンプルトン財団、WMケック財団、米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所、オーストラリア研究会議、トゥーラ財団、サミュエル・ローレンス財団から提供されている。MO BIO Laboratories、Luca Technologies、 Eppendorf、Boreal Genomics、Illumina、Roche、Integrated DNA Technologiesなどの企業が現物支援を行っている。[4]
目標
地球マイクロバイオームプロジェクト（EMP）の主な目標は、標準的な一連のプロトコルを使用して、地球上の多くの環境における微生物の構成を、時間と空間を超えて調査することです。[ 1 ]標準化されたプロトコルの開発により、微生物群集構造の比較を複雑にする分析パイプラインのばらつきと偏りが軽減されます。[5] [6]
もう一つの重要な目標は、微生物群集の再構築が分析バイアスによってどのように影響を受けるかを判断することです。技術の進歩は急速であり、更新されたプロトコルを使用したデータが以前の技術を使用して収集されたデータとどのように比較されるかを理解する必要があります。このプロジェクトの情報は、分析を容易にするためにデータベースにアーカイブされます。その他の成果には、タンパク質機能のグローバルアトラスと、分類学的分布によって分類された再構成されたゲノムのカタログが含まれます。[5]
方法
サンプリング、DNA抽出、 16S rRNA増幅、18S rRNA増幅、および「ショットガン」 メタゲノミクスの標準プロトコルが開発されている。[7]
サンプル収集
サンプルは、深海、淡水湖、砂漠の砂、土壌など、さまざまな環境から適切な方法で収集されます。結果を比較できるように、可能な場合は標準化された収集プロトコルが使用されます。天然サンプルの微生物は必ずしも培養できるとは限りません。このため、培養に依存しない方法でサンプル内のすべての DNA または RNA の配列を決定するために、メタゲノム手法が使用されます。
ウェットラボ
ウェットラボは、サンプルの微生物部分を選択して精製するための一連の手順を実行するために使用されました。精製プロセスはサンプルの種類によって異なります。土壌粒子からDNA を抽出するか、ろ過技術を使用して微生物を濃縮します。さらに、さまざまな増幅技術を使用して DNA 収量を増やすことができます。たとえば、一部の研究者はPCRベースではない多重置換増幅を好みます。DNA 抽出、プライマーの使用、PCR プロトコルはすべて、バイアスを回避するために、慎重に標準化されたプロトコルに従って実行する必要がある領域です。[5]
シーケンシング
研究者は、生物学的な問題に応じて、2 つの主なアプローチを使用してメタゲノム サンプルを配列決定できます。存在する生物の種類と存在量を特定するために推奨されるアプローチは、特定の遺伝子をターゲットにして増幅することです。この遺伝子は、多くの場合、対象種の間で高度に保存されており、細菌の場合は16S リボソーム RNA遺伝子、原生生物の場合は18S リボソーム RNA遺伝子です。このアプローチは「ディープ シーケンシング」と呼ばれ、サンプル内の希少種を特定できます。ただし、このアプローチでは、ゲノム全体のアセンブリは実行できず、生物が互いにどのように相互作用するかに関する情報も提供されません。2 つ目のアプローチは、サンプル内のすべての DNA を切断して断片を配列決定するショットガン メタゲノムです。原理的には、このアプローチでは、微生物ゲノム全体のアセンブリと代謝関係の推測が可能です。ただし、ほとんどの微生物が特定の環境で特性評価されていない場合、de novoアセンブリは計算コストがかかります。[8]
データ分析
EMPはサンプル処理のバイオインフォマティクスの側面を標準化することを提案している。 [5]
データ分析には通常、以下の手順が含まれます。1) データのクリーンアップ。低品質スコアの読み取りをクリーンアップするための事前手順で、「N」またはあいまいなヌクレオチドを含む配列を削除します。2) 配列に分類を割り当てる。これは通常、BLAST [9]や RDP [10]などのツールを使用して行われます。既存の分類にマッピングできない新しい配列が発見されることは非常によくあります。この場合、分類は、新しい配列と密接に関連する既知の配列のプールで作成された系統樹から派生します。[11]
シーケンシング技術と根底にある生物学的問題に応じて、追加の方法が採用されることもあります。たとえば、シーケンシングされたリードが短すぎて有用な情報を推測できない場合は、アセンブリが必要になります。アセンブリを使用して全ゲノムを構築し、種に関する有用な情報を提供することもできます。さらに、微生物メタゲノム内の代謝関係を理解するには、DNA配列をアミノ酸配列に変換する必要があります。たとえば、GeneMark [12]や FragGeneScan [13]などの遺伝子予測ツールを使用します。
プロジェクトの出力
EMPの4つの主要な成果は以下のとおりです。[14]
- 地球マイクロバイオーム プロジェクトから生成されるすべての一次データは、その決定性の程度にかかわらず、「遺伝子アトラス」(GA) と呼ばれる集中データベースに保存されます。GA には、配列データ、注釈、環境メタデータが含まれます。既知の配列と未知の配列 (つまり「ダーク マター」) の両方が含まれ、やがて未知の配列が最終的に特徴付けられることを期待しています。
- 自動化されたパイプラインを使用して注釈が付けられた組み立てられたゲノムは、パブリック リポジトリの「Earth Microbiome Assembled Genomes」(EM-AG) に保存されます。これにより、比較ゲノム分析が可能になります。
- データのインタラクティブな視覚化は「地球マイクロバイオーム視覚化ポータル」(EM-VIP) を通じて提供され、微生物の構成、環境パラメータ、ゲノム機能の関係を表示できるようになります。
- 再構築された代謝プロファイルは、「Earth Microbiome Metabolic Reconstruction」(EMMR) を通じて提供されます。
課題
多様な微生物群集の分析から生成される大量の配列データは、保存、整理、分析するのが困難です。この問題は、EMPプロジェクトで使用される標準機器となる高スループットシーケンシングプラットフォームによって提供される短い読み取りによってさらに悪化します。改良されたアルゴリズム、分析ツール、膨大な量のコンピュータストレージ、そして何千時間ものスーパーコンピュータ時間へのアクセスが必要になります。[8]
もう一つの課題は、予想されるシーケンシングエラーの数が多く、収集された微生物サンプルの実際の多様性と区別することです。[8] 次世代シーケンシング技術は、従来のシーケンシング方法に比べて、膨大なスループットを提供しますが、精度は低くなります。単一のゲノムをシーケンシングする場合、これらの方法の本質的な精度の低さは、複数の開始点から反対方向にゲノム全体を複数回カバーする機能によって十分に補われますが、この機能は、多様なゲノムの混合物をシーケンシングする場合の精度の向上にはつながりません。
標準プロトコルが発行されているにもかかわらず、研究室ごとに体系的な偏りが生じることが予想されます。バイオマスの少ないサンプルからDNAを増幅する必要性により、データの歪みがさらに生じます。多様な生物サンプルにおける優勢な生物のゲノムのアセンブリでさえ、ギガバイト単位の配列データが必要です。[8]
ハイスループットシーケンシング技術の進歩により、実験的に機能が決定されていないものの、既知の配列との相同性に基づいて注釈が付けられた多くの配列が公開データベースに登録されています。最初の既知の配列は最初の未知の配列を注釈するために使用されますが、公開配列データベースで一般的になっている問題（EMP が回避しなければならない問題）は、最初の未知の配列が 2 番目の未知の配列を注釈するために使用されていることです。配列相同性は、機能の予測因子として信頼性が中程度にしかすぎません。[15]
参照
参考文献
- ^ ab Gilbert, JA; Jansson, JK; Knight, R. (2014). 「地球マイクロバイオームプロジェクト：成功と抱負」BMC Biology . 12 (1): 69. doi : 10.1186/s12915-014-0069-1 . PMC 4141107 . PMID 25184604.
- ^ Gilbert, JA; O'Dor, R.; King, N.; Vogel, TM (2011). 「微生物生態学におけるメタゲノム調査の重要性: あるいは、なぜダーウィンはメタゲノム科学者だったのか」.微生物情報学と実験. 1 (1): 5. doi : 10.1186/2042-5783-1-5 . PMC 3348666. PMID 22587826 .
- ^ 「ホーム」。地球マイクロバイオームプロジェクト。2024年7月11日。 2024年7月11日閲覧。
- ^ 地球マイクロバイオームプロジェクトは、地球と人類の利益のために、地球規模の微生物の分類学的および機能的多様性を特徴付ける体系的な試みです。2020年5月11日にWayback Machineでアーカイブされました。地球マイクロバイオームプロジェクト2018、2018年1月3日取得
- ^ abcd Gilbert, JA; Meyer, F. (2012). 「地球のマイクロバイオームのモデリング」Microbe Magazine . 7 (2): 64–69. doi :10.1128/microbe.7.64.1.
- ^ Thompson, Luke R.; et al. (2017). 「共同カタログが地球のマルチスケール微生物多様性を明らかにする」Nature . 551 (7681): 457–463. Bibcode :2017Natur.551..457T. doi :10.1038/nature24621. PMC 6192678 . PMID 29088705.
- ^ 「Earth Microbiome Project / Standard Protocols」。2012年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月7日閲覧。
- ^ abcd Jansson, Janet (2011). 「「テラ・テラ」に向けて：陸生メタゲノムのテラベースシーケンシング」Microbe Magazine . 6 (7): 309–15. doi :10.1128/microbe.6.309.1. OSTI 1051845.
- ^ 「BLAST: 基本的なローカルアライメント検索ツール」。2011年8月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年3月5日閲覧。
- ^ “リボソームデータベースプロジェクト”. 2020年8月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月6日閲覧。
- ^ Meyer, F.; Paarmann, D.; d'Souza, M.; Olson, R.; Glass, EM; Kubal, M.; Paczian, T.; Rodriguez, A.; Stevens, R.; Wilke, A.; Wilkening, J.; Edwards, RA (2008). 「メタゲノム RAST サーバー – メタゲノムの自動系統発生および機能解析のためのパブリック リソース」BMC Bioinformatics . 9 : 386. doi : 10.1186/1471-2105-9-386 . PMC 2563014 . PMID 18803844.
- ^ 「GeneMark – 無料の遺伝子予測ソフトウェア」。2013年10月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月6日閲覧。
- ^ “FragGeneScan”. 2019年9月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月6日閲覧。
- ^ 「Earth Microbiome Project / Defining the Tasks」。2012年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年3月7日閲覧。
- ^ Gilbert, JA; Dupont, CL (2011). 「微生物メタゲノミクス:ゲノムを超えて」. Annual Review of Marine Science . 3 : 347–371. Bibcode :2011ARMS....3..347G. doi :10.1146/annurev-marine-120709-142811. PMID 21329209.
外部リンク
- 公式サイト
- システム生物学とマイクロバイオーム
- 米国NIHヒトマイクロバイオームプロジェクトページ
- 国際ヒトマイクロバイオームコンソーシアム
- CIHR カナダマイクロバイオームイニシアチブ
- Microbiome.org: マイクロバイオーム wiki ポータル サイト