Gevonden in microbiële gemeenschappen over de hele wereld, Aspergillus-schimmels zijn ziekteverwekkers, ontbinders, en belangrijke bronnen van biotechnologisch belangrijke enzymen. Van elke Aspergillus-soort is bekend dat deze meer dan 250 actieve koolhydraatenzymen (CAzymen) bevat, die celwanden van planten afbreken en van belang zijn voor onderzoekers van het Department of Energy (DOE) die werken aan de industriële productie van duurzame alternatieve brandstoffen met behulp van kandidaat-bio-energiegrondstoffen. Aanvullend, elke schimmelsoort wordt verondersteld meer dan 40 secundaire metabolieten te bevatten, kleine moleculen die kunnen fungeren als biobrandstof en chemische tussenproducten.

In een studie gepubliceerd in de week van 8 januari, 2018 in de Proceedings van de National Academy of Sciences , een team onder leiding van onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), het DOE Joint Genome Institute (JGI), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en het DOE's Joint BioEnergy Institute (JBEI), geleid door Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapporteer de eerste resultaten van een langetermijnplan om te sequensen, annoteren en analyseren van de genomen van 300 Aspergillus-schimmels. Deze bevindingen zijn een proof of concept van nieuwe methoden om genomen functioneel te annoteren om sneller genen van belang te identificeren.

"Dit is het eerste resultaat van de grootschalige sequencing van 300+ Aspergillus-soorten, " zei co-auteur van de studie Igor Grigoriev, hoofd van het JGI Fungal Genomics-programma. "Met de strategische verschuiving van het JGI naar functionele genomica, deze studie illustreert verschillende nieuwe benaderingen voor functionele annotatie van genen. Veel benaderingen zijn afhankelijk van experimenten en gaan gen voor gen door individuele genomen. Aspergillus gebruiken, we sequencen veel nauw verwante genomen om de verschillen tussen genomen te benadrukken en te vergelijken. Een vergelijkende analyse van nauw verwante soorten met verschillende metabolische profielen kan ertoe leiden dat een relatief klein aantal soortspecifieke secundaire metabolismegenenclusters worden toegewezen aan een relatief klein aantal unieke metabolieten."

Soortdiversiteit, Chemische diversiteit

In de studie, het team heeft 6 Aspergillus-soorten gesequenced en geannoteerd; 4 werden gesequenced met behulp van het Pacific Biosciences-platform, het produceren van genoomassemblages van zeer hoge kwaliteit die kunnen dienen als referentiestammen voor toekomstige vergelijkende genomica-analyses. Vervolgens werd een vergelijkende analyse uitgevoerd met deze genomen en andere genomen van Aspergillus - waarvan er verschillende werden gesequenced door de JGI. en stelde het team in staat om biosynthetische genclusters te identificeren voor secundaire metabolieten van belang.

"Een van de dingen die we hier interessant vonden, was de diversiteit van de soorten waar we naar keken - we kozen er vier die in de verte verwant waren, " zei senior auteur Mikael R. Andersen, Professor bij DTU. "Met die diversiteit komt ook chemische diversiteit, dus konden we kandidaatgenen vinden voor een aantal zeer uiteenlopende soorten verbindingen. Dit was gebaseerd op een nieuwe analysemethode die eerste auteur Inge Kjaerboelling ontwikkelde. Bovendien, we hebben ook laten zien hoe we genoemde voorspellingen voor een bepaalde verbinding kunnen verstevigen door extra genomen te sequensen van soorten waarvan bekend is dat ze de verbinding produceren. Door te zoeken naar genen gevonden in alle producerende soorten, we kunnen de genen op elegante wijze lokaliseren."

Studie co-auteur Scott Baker, een schimmelonderzoeker bij het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science User Facility in het Pacific Northwest National Laboratory, en een lid van JBEI's Deconstruction Division, legde uit waarom het vinden van kandidaatgenen voor verschillende verbindingen belangrijk is. "De secundaire metabolieten zijn belangrijk omdat ze zo'n interessante en nieuwe chemie vertegenwoordigen met betrekking tot de biosynthese van moleculen die biobrandstoffen zouden kunnen zijn, voorlopers of bioproducten van biobrandstoffen, " zei hij. "Hoewel het een aanzienlijke inspanning is om de structuren van gezuiverde secundaire metabolieten te bepalen, het is vaak relatief eenvoudig. Echter, het verbinden van deze moleculen met hun biosynthetische routes kan behoorlijk uitdagend zijn. We laten zien dat het gebruik van vergelijkende genomica efficiënt kan leiden tot redelijke voorspellingen van genclusters die betrokken zijn bij biosynthetische routes."

Aspergillus in Mycocosm

Grigoriev voegde eraan toe dat tot op heden, ongeveer 30 Aspergillus-genomen zijn gepubliceerd, nog eens 25 genomen zijn openbaar beschikbaar via het JGI-portaal voor schimmelgenomen Mycocosm (genome.jgi.doe.gov/Aspergillus), en meer dan 100 genomen worden gesequenced en geanalyseerd.

Terwijl het JGI zijn Strategische Plan blijft vervullen om te evolueren naar een meer van een Functional Genomics-capabele gebruikersfaciliteit, het integreren van genomische sequentie, uitdrukking, computationele en metabole analyses, en biochemische informatie in een completer beeld van de biologie die relevant is voor DOE-missies, Cross-Facilitaire en cross-disciplinaire inspanningen zoals deze zullen nog belangrijker worden. Het karakteriseren van de identiteit en rollen van secundaire metabolieten, en de genen die nodig zijn voor hun generatie, is van cruciaal belang voor deze inspanning en kan potentiële instrumenten bieden voor het verbeteren van het vermogen om weerbarstige biomassa te verwerken tot precursoren voor biobrandstoffen en bioproducten.