In het Earth Microbiome-project, een uitgebreid wereldwijd team onder leiding van onderzoekers van de University of California San Diego, Pacific Northwest Nationaal Laboratorium, University of Chicago en Argonne National Laboratory verzamelden meer dan 27, 000 monsters van talrijke, diverse omgevingen over de hele wereld. Ze analyseerden de unieke verzamelingen microben - de microbiomen - die in elk monster leven om de eerste referentiedatabase te genereren van bacteriën die de planeet koloniseren. Dankzij nieuw gestandaardiseerde protocollen, originele analytische methoden en open data-sharing, het project zal blijven groeien en verbeteren naarmate er nieuwe gegevens worden toegevoegd.

Het document waarin deze inspanning wordt beschreven, gepubliceerd op 1 november in Natuur , was co-auteur van meer dan 300 onderzoekers bij meer dan 160 instellingen wereldwijd.

Het Earth Microbiome Project is in 2010 opgericht door Rob Knight, doctoraat, professor aan de UC San Diego School of Medicine en directeur van het Center for Microbiome Innovation aan de UC San Diego; Jack Gilbert, doctoraat, professor en faculteitsdirecteur van The Microbiome Center aan de Universiteit van Chicago en groepsleider in Microbial Ecology bij Argonne National Laboratory; Rick Stevens, doctoraat, associate laboratoriumdirecteur bij Argonne National Laboratory en professor en senior fellow aan de Universiteit van Chicago; en Janet Jansson, doctoraat, hoofdwetenschapper voor biologie en laboratoriummedewerker bij Pacific Northwest National Laboratory. Ridder, Gilbert en Jansson zijn ook co-senior auteurs van de Nature-paper en Stevens is een co-auteur.

"De potentiële toepassingen voor deze database en de soorten onderzoeksvragen die we nu kunnen stellen, zijn bijna onbeperkt, " zei Knight. "Hier is slechts één voorbeeld - we kunnen nu in meer dan 90 procent van de gevallen identificeren uit wat voor soort omgeving een monster kwam, gewoon door zijn microbioom te kennen, of de soorten en relatieve hoeveelheden microben die erin leven. Dat kan nuttige forensische informatie zijn op een plaats delict ... denk aan 'CSI'."

Het doel van het Earth Microbiome Project is om zoveel mogelijk microbiële gemeenschappen op aarde te bemonsteren om het wetenschappelijke begrip van microben en hun relaties met hun omgeving te vergroten, inclusief planten, dieren en mensen. Deze taak vereist de hulp van wetenschappers van over de hele wereld. Tot dusver, het project omvatte zeven continenten en 43 landen, van het noordpoolgebied tot het zuidpoolgebied, en meer dan 500 onderzoekers hebben bijgedragen aan de steekproef- en gegevensverzameling. Projectleden gebruiken deze informatie als onderdeel van ongeveer 100 onderzoeken, waarvan de helft is gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften.

"Microben zijn overal, " zei eerste auteur Luke Thompson, doctoraat, die de rol van projectmanager op zich nam terwijl een postdoctoraal onderzoeker in Knight's lab en momenteel een onderzoeksmedewerker is bij de National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). "Maar voorafgaand aan deze enorme onderneming, veranderingen in de samenstelling van de microbiële gemeenschap werden voornamelijk geïdentificeerd door te focussen op één monstertype, één regio tegelijk. Dit maakte het moeilijk om patronen in omgevingen en geografie te identificeren om algemene principes af te leiden."

Projectleden analyseren bacteriële diversiteit in verschillende omgevingen, geografie en chemie door het 16S rRNA-gen te sequencen, een genetische marker die specifiek is voor bacteriën en hun verwanten, archaea. De 16S rRNA-sequenties dienen als "barcodes" om verschillende soorten bacteriën te identificeren, waardoor onderzoekers ze kunnen volgen over monsters van over de hele wereld. Onderzoekers van het Earth Microbiome Project gebruikten ook een nieuwe methode om sequentiefouten in de gegevens te verwijderen, waardoor ze een nauwkeuriger beeld krijgen van het aantal unieke sequenties in het microbioom.

Binnen deze eerste release van gegevens, het Earth Microbiome Project-team identificeerde ongeveer 300, 000 unieke microbiële 16S rRNA-sequenties, bijna 90 procent daarvan heeft geen exacte overeenkomsten in reeds bestaande databases.

Reeds bestaande 16S-rRNA-sequenties zijn beperkt omdat ze niet zijn ontworpen om onderzoekers in staat te stellen gegevens toe te voegen op een manier die nuttig is voor de toekomst. Project co-auteur Jon Sanders, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Knight, vergelijkt het verschil tussen deze andere databases en het Earth Microbiome Project met het verschil tussen een telefoonboek en Facebook. "Voordat, je moest schrijven om je volgorde in de lijst te krijgen, en de lijst zou heel weinig informatie bevatten over waar de sequentie vandaan kwam of met welke andere sequenties het werd gevonden, "zei hij. "Nu, we hebben een raamwerk dat al die extra context ondersteunt, en die organisch kunnen groeien om nieuwe soorten vragen en inzichten te ondersteunen."

"Er zijn grote delen van microbiële diversiteit over om te catalogiseren. En toch hebben we ongeveer de helft van alle bekende bacteriële sequenties 'heroverd', " zei Gilbert. "Met deze informatie, patronen in de verspreiding van de microben van de aarde zijn al in opkomst."

Volgens Gilbert, een van de meest verrassende observaties is dat unieke 16S-sequenties veel specifieker zijn voor individuele omgevingen dan de typische eenheden van soorten die door wetenschappers worden gebruikt. De diversiteit aan omgevingen die door het Earth Microbiome Project zijn bemonsterd, laat zien hoeveel de lokale omgeving het microbioom vormt. Bijvoorbeeld, de huidmicrobiomen van walvisachtigen (walvissen en dolfijnen) en vissen lijken meer op elkaar dan op het water waarin ze zwemmen; omgekeerd, het zout in zoutwatermicrobiomen maakt ze onderscheiden van zoetwater, maar ze lijken nog steeds meer op elkaar dan op de huid van waterdieren. Algemeen, het microbioom van een gastheer, zoals een mens of dier, waren heel verschillend van vrijlevende microbiomen, zoals die gevonden worden in water en bodem. Bijvoorbeeld, de vrijlevende microbiomen waren veel diverser, in het algemeen, dan gastheer-geassocieerde microbiomen.

"Deze wereldwijde ecologische patronen bieden slechts een glimp van wat mogelijk is met gecoördineerde en cumulatieve bemonstering, Jansson zei. "Er is meer bemonstering nodig om rekening te houden met factoren zoals breedtegraad en hoogte, en om veranderingen in het milieu in de loop van de tijd te volgen. Het Earth Microbiome Project biedt zowel een hulpmiddel voor de verkenning van talloze vragen, en een startpunt voor de begeleide verwerving van nieuwe gegevens om ze te beantwoorden."