METABOLIC: высокопроизводительный анализ микробных геномов для функциональных признаков, метаболизма, биогеохимии и функциональных сетей на уровне сообщества

Введение: Развитие исследований микробиома во многом обусловлено возможностью изучать и интерпретировать экологию микроорганизмов по геномам, реконструированным из смешанных микробных сообществ с помощью метагеномики и одноклеточной геномики. Эти омиксные подходы позволяют считывать геномные «чертежи» микроорганизмов, расшифровывать их функциональные возможности и активность, а также реконструировать их роль в биогеохимических процессах. Существующие инструменты для анализа геномных данных позволяют в определённой степени аннотировать и отображать метаболические функции; однако стандартизованных подходов для комплексной характеристики метаболических предсказаний, обмена метаболитами, микробных взаимодействий и вклада микроорганизмов в биогеохимические циклы пока нет.

Результаты: Представляем METABOLIC (METabolic And BiOgeochemIstry anaLyses In miCrobes) — масштабируемое программное обеспечение для развития исследований микробной экологии и биогеохимии на основе геномов с разрешением до отдельных организмов и/или микробных сообществ. Рабочий процесс на уровне генома включает аннотацию микробных геномов, валидацию мотивов биохимически подтверждённых консервативных остатков белков, анализ метаболических путей и расчёт вклада в отдельные биогеохимические превращения и циклы. Рабочий процесс на уровне сообщества дополняет анализ на уровне генома определением представленности геномов в микробиоме, потенциальных метаболических «передач» и обмена метаболитами, реконструкцией функциональных сетей и определением вклада микроорганизмов в биогеохимические циклы. METABOLIC может принимать геномы из изолятов, геномы, собранные из метагеномов, или геномы одиночных клеток. Результаты представлены в виде таблиц по метаболизму и различных визуализаций, включая потенциал биогеохимических циклов, представление последовательных метаболических превращений, функциональные сети микроорганизмов на уровне сообщества с использованием нового показателя MW-score (metabolic weight score) и метаболические диаграммы Санки. Обработка примерно 100 геномов и соответствующих метагеномных ридов занимает около 3 часов при использовании 40 потоков CPU, причём наиболее ресурсоёмкий этап hmmsearch занимает около 45 минут, тогда как для выполнения hmmsearch для примерно 3600 геномов требуется около 5 часов. Испытания точности, устойчивости и согласованности показывают, что METABOLIC работает лучше по сравнению с другими программами и веб-серверами. Чтобы продемонстрировать возможности и универсальность METABOLIC, мы показали его работу на разнородных метагеномных наборах данных из морского подповерхностного слоя, наземного подповерхностного слоя, луговой почвы, глубоководной зоны, пресноводных озёр, сточных вод и кишечника человека.

Выводы: METABOLIC обеспечивает согласованное и воспроизводимое изучение экологии микробных сообществ и биогеохимии на основе геномно-информированного микробного метаболизма и будет способствовать интеграции некультивируемых организмов в метаболические и биогеохимические модели. METABOLIC написан на Perl и R и свободно доступен по лицензии GPLv3 на https://github.com/AnantharamanLab/METABOLIC. Видеоаннотация.