您好,欢迎光临武汉贝纳科技有限公司
027-62435310 | service@benagen.com | 中文 | English 咨询客服
您现在的位置:主页 > 市场与支持 > 文献解读 >

文献解读|基于多组学和比较组学解析在海洋塑料碎片中的微生物组

 

简介

 

目前,关于海洋塑料表面附着的微生物功能研究相对匮乏,尤其是针对寒冷气候条件下,温度如何影响微生物活性及群落构成的理解有限。迄今为止,仅有两项研究运用宏蛋白质组学方法,旨在阐明海洋“塑料微生态”中微生物基因型与表型之间的关联,这些研究揭示了在温暖环境下光合微生物的优势地位。为了进一步推动生物技术创新,全面解析海洋塑料微生态的功能性特征极为关键,其中包括构建专门数据库以整合相关微生物多样性信息,尤其是它们的肽和蛋白质序列及其功能特性。本研究通过结合塑料生物膜的多组学数据与数据分析,对塑料界宏蛋白质组进行了深入探索,为理解塑料环境中微生物的代谢机制提供了新的视角。

 

图片

 

英文标题:Novel functional insights into the microbiome inhabiting marine plastic debris: critical considerations to counteract the challenges of thin biofilms using multi-omics and comparative metaproteomics

中文标题:栖息于海洋塑料垃圾的微生物群落的新功能见解:利用多组学与比较宏蛋白质组学应对薄生物膜挑战的关键考虑因素

发表期刊:Microbiome

影响因子:15.5

发表时间:2024年02月

作者及单位:Sabine Matallana-Surget团队,苏格兰斯特灵大学

 

 技术路线 

 

图片

图1 本研究的技术路线图. 本研究使用了一个全面的实验设计来完善关键步骤:(i)共同提取(间接与直接对比)、(ii)使用不同的分离纯化方法(机械和化学两种方法)对DNA和蛋白质进行纯化、(iii)不同的组学工作流程(无凝胶对比凝胶)、以及(iv)利用扩增子测序、宏基因组学和公共数据库生成蛋白质搜索数据库,以产生一个综合的最优多组学和比较性宏蛋白质组学工作流程。

 

 

1.间接提取和直接提取获得分类和功能一致

 

图片

图2 间接和直接共提取16S rRNA(A)和18S rRNA(B)基因之间的塑料际菌群组成

 

尽管检测到DNA浓度存在差异,对16S和18S rRNA基因进行测序的结果显示,间接提取与直接提取方法,在评估海洋塑料附生微生物群落(原核和真核)的α多样性时并未发现显著差异,16S和18S rRNA的可操作分类单元(ASVs)组成也未显示出显著变化,原核生物群落均主要由变形菌门和拟杆菌门占主导(图2A)。相比之下,真核ASVs在各重复样本中的比例和相对丰度展现出一定变异性(图2B)。总体而言,提取方法对解析塑料微生态的功能特性产生的影响似乎较为有限。

 

2. 互补的无凝胶和基于凝胶的宏蛋白质组学

 

图片

图3 来自无凝胶和基于凝胶的元蛋白酶体的注释蛋白的比较

 

为了评估无凝胶与基于凝胶的蛋白质分离技术,作者对这两种方法所得的宏蛋白质组进行了比较,重点关注蛋白质的鉴定数量、分类分布及功能注释(图3)。结果表明,在无凝胶蛋白质组中,蛋白质的鉴定率更高,共鉴定了967种不同的蛋白质,涉及1,506种不同的肽段。通过对已鉴定蛋白质进行分类注释,发现有10个细菌属存在于两种(无凝胶与基于凝胶)宏蛋白质组中(图3A)。对比之下,无凝胶方法独有9个属的蛋白质,而基于凝胶的方法仅特有4个属的蛋白质。功能注释分析揭示仅有4种蛋白质功能被共同鉴定出来(图3B),表明它们在捕获和解析蛋白质功能方面存在显著差异。

 

3. 蛋白质搜索数据库在确定塑料际结构和功能中的作用

 

图片
 

图4 比较不同搜库策略下蛋白质的注释结果,揭示了在属水平(A)和蛋白质功能水平(B)上的特异性鉴定差异

 

 

使用4个数据库对鉴定出的活性分类群多样性进行了相似性和差异性的比较分析(图3C–H;图4A)。结果显示,16S-TaxDB数据库鉴定到5个门(图3C和F)和18个属(图4A)的蛋白质;而16S-TaxDB-2nd数据库则在19个属和6个门中检测到蛋白质(图3D、G和图4A);MG-DB数据库鉴定到了7个门(图3E和H)和19个属(图4A)。共有11个属被16S-TaxDB、MG-DB及16S-TaxDB-2nd这三个数据库共同识别(图4A);此外,MG-DB特异性鉴定了8个特有的属(图4A)。在功能注释方面,使用16S-TaxDB-2nd和MG-DB鉴定的蛋白质所覆盖的总功能类别最多,随后是16S-TaxDB和18S-TaxDB。值得注意的是,真核生物的功能注释在蛋白质水平上较为局限。在这三个数据库中,共有57种蛋白质功能得到了共同注释(图4B),而16S-TaxDB、MG-DB和16S-TaxDB-2nd分别有5种、12种和15种特异性的蛋白质功能注释(图4B)。

 

4. 异养塑料际的多组学研究

 

图片

图5 异养微生物主导的冷适应塑料际中确定的关键途径的代谢图

 

 

在宏基因组数据的指导下,预测获得了涉及能量获取、碳代谢及氨基酸代谢相关的基因。宏蛋白质组数据揭示了参与氧化磷酸化、柠檬酸循环、谷氨酰胺及脯氨酸生物合成,以及碳水化合物代谢的蛋白质表达,进一步确认了这些代谢途径的重要性(图5)。有趣的是,宏蛋白质组中鉴定到大量应激响应相关的蛋白,例如TerD蛋白(在Psychrobacter中)、超氧化物歧化酶(Psychrobacter和Planococcus中)、烷基过氧化氢还原酶(Pseudoalteromonas中)以及铁蛋白(Psychobacter中)等,这些蛋白在不同物种中呈现出特异性的表达模式(图5)。同时,宏基因组和宏蛋白组的预测结果显示,多种表达蛋白与生物膜的形成机制密切相关,同时这些蛋白中有多项还与毒力因子存在关联(图5)。尤为重要的是,这两者数据集均提供了直接证据,表明存在与分解海洋污染物相关的基因及表达产物,比如Psychrobacter中的芳香族化合物降解途径,以及PsychrobacterPseudoalteromonas中的脂肪酸β-氧化过程(图5)。

 

宏基因组分箱分析结果显示,部分MAGs被鉴定为Pseudoalteromonas sp.(77%的完整性, < 10%的污染,包括13个rRNA和97个tRNA),并将这些预测得到的Pseudoalteromonas sp.蛋白质组作为参考数据库,以便更深入地解析该微生物的活性。分析显示,Pseudoalteromonas sp.中表达最为丰富的蛋白质主要参与到一般代谢途径和能量获取过程中,包括参与蛋白质折叠的肽基脯氨酰异构酶(FkpA)、核糖体的大亚基和小亚基蛋白、多种翻译因子、RNA聚合酶,以及通过氧化磷酸化途径获取能量的相关蛋白,这些蛋白的平均相对丰度范围在1%至2.5%之间。此外,还检测到多种参与碳水化合物代谢的蛋白质,特别是柠檬酸循环相关蛋白,它们的总平均相对丰度达到了4.5%(见图5)。

 

5. 一种检测聚合物降解和致病性的靶向方法

 

图片

图6 鉴定编码冷适应塑料际内抗微生物耐药性机制的病原体

 

 

通过对公共数据库的靶向蛋白质检索,确认了多组学数据分析中鉴定的两种关键环境适应性表型的存在及其表达情况:即聚合物降解能力和病原性特征(包括毒力及抗微生物药物耐药性)。宏基因组测序reads与PlasticDB的比对结果显示,存在五种与聚合物降解相关的基因,包括漆酶、解聚酶、酯酶和脱氢酶。其中,有36%被注释为冷适应Psychrobacter sp. 的漆酶,这种酶参与了聚乙烯的降解过程。此外,利用PlasticDB对宏蛋白质组数据进行的注释及相对定量分析,鉴定到三种表达的蛋白质与放线菌和β-变形杆菌的聚合物降解功能紧密相关。

 

通过靶向数据库、VFDB和CARD来探究致病潜力,我们发现宏基因组序列与VFDB数据库在388.0 Kbp的序列中有649次匹配。宏基因组中最常见的毒力因子与布鲁氏菌、铜绿假单胞菌及猪肺炎支原体的细胞黏附和运动机制相关。此外,通过宏基因组reads与CARD数据库进行比对,鉴定出123个抗微生物药物耐药性基因,这些基因与宏基因组中的多种潜在病原体相关,如大肠杆菌、伤寒沙门氏菌血清型及结核分枝杆菌等(见图6A)。在这些被识别出的123个CARD基因中,有6个被认为具有临床意义,包括与耻垢分枝杆菌耐四环素的tetV基因、大肠杆菌耐氟喹诺酮的oqxB基因,以及产气肠杆菌耐红霉素的qepA基因。利用CARD数据库中的蛋白质变体模型作为搜索参照,进一步鉴定了11种表达的蛋白质,这些蛋白质涉及对大肠杆菌属、幽门螺旋杆菌属、奈瑟菌属和支原体属中利福平、β-内酰胺类和氟喹诺酮类抗生素的耐药性(图6B)。

 

参考文献:

Messer, L.F., Lee, C.E., Wattiez, R. et al. Novel functional insights into the microbiome inhabiting marine plastic debris: critical considerations to counteract the challenges of thin biofilms using multi-omics and comparative metaproteomics. Microbiome 12, 36 (2024). 

 


Copyright © 2018 武汉贝纳科技有限公司 . All Rights Reserved. Designed by 鄂ICP备2021008976号-2技术支持:中网维优

友情链接

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10