Published May 22, 2019
| Version v1
Publication
Open
Microbial community drivers of PK/NRP gene diversity in selected global soils
Creators
- 1. University of Warwick
- 2. Helmholtz Centre for Environmental Research
- 3. European Bioinformatics Institute
- 4. Wellcome Trust
- 5. École Normale Supérieure de Bouzareah Alger
- 6. Northumbria University
- 7. Natural Environment Research Council
- 8. British Antarctic Survey
Description
The emergence of antibiotic-resistant pathogens has created an urgent need for novel antimicrobial treatments. Advances in next-generation sequencing have opened new frontiers for discovery programmes for natural products allowing the exploitation of a larger fraction of the microbial community. Polyketide (PK) and non-ribosomal pepetide (NRP) natural products have been reported to be related to compounds with antimicrobial and anticancer activities. We report here a new culture-independent approach to explore bacterial biosynthetic diversity and determine bacterial phyla in the microbial community associated with PK and NRP diversity in selected soils. Through amplicon sequencing, we explored the microbial diversity (16S rRNA gene) of 13 soils from Antarctica, Africa, Europe and a Caribbean island and correlated this with the amplicon diversity of the adenylation (A) and ketosynthase (KS) domains within functional genes coding for non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) and polyketide synthases (PKSs), which are involved in the production of NRP and PK, respectively. Mantel and Procrustes correlation analyses with microbial taxonomic data identified not only the well-studied phyla Actinobacteria and Proteobacteria, but also, interestingly, the less biotechnologically exploited phyla Verrucomicrobia and Bacteroidetes, as potential sources harbouring diverse A and KS domains. Some soils, notably that from Antarctica, provided evidence of endemic diversity, whilst others, such as those from Europe, clustered together. In particular, the majority of the domain reads from Antarctica remained unmatched to known sequences suggesting they could encode enzymes for potentially novel PK and NRP. The approach presented here highlights potential sources of metabolic novelty in the environment which will be a useful precursor to metagenomic biosynthetic gene cluster mining for PKs and NRPs which could provide leads for new antimicrobial metabolites.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
خلق ظهور مسببات الأمراض المقاومة للمضادات الحيوية حاجة ملحة لعلاجات جديدة مضادة للميكروبات. فتحت التطورات في تسلسل الجيل التالي حدودًا جديدة لبرامج اكتشاف المنتجات الطبيعية مما يسمح باستغلال جزء أكبر من المجتمع الميكروبي. تم الإبلاغ عن أن منتجات البولي كيتيد (PK) والبيبيتيد غير الريبوسومي (NRP) الطبيعية مرتبطة بمركبات ذات أنشطة مضادة للميكروبات ومضادة للسرطان. نبلغ هنا عن نهج جديد مستقل عن الثقافة لاستكشاف التنوع الحيوي البكتيري وتحديد الشعب البكتيرية في المجتمع الميكروبي المرتبط بتنوع الحرائك الدوائية و NRP في التربة المختارة. من خلال تسلسل الأمبليكون، استكشفنا التنوع الميكروبي (جين 16S rRNA) لـ 13 تربة من القارة القطبية الجنوبية وأفريقيا وأوروبا وجزيرة كاريبية وربطنا ذلك بتنوع الأمبليكون لمجالات الأدينيلة (A) و ketosynthase (KS) داخل الجينات الوظيفية المشفرة لمركبات الببتيد غير الريبوسومية (NRPSs) ومركبات البولي كيتيد (PKSs)، والتي تشارك في إنتاج NRP و PK، على التوالي. لم تحدد تحليلات الارتباط بين Mantel و Procrustes مع البيانات التصنيفية الميكروبية فقط الشُعب الأكتينية والبكتيريا البروتينية المدروسة جيدًا، ولكن أيضًا، من المثير للاهتمام، الشُعب الأقل استغلالًا من الناحية التكنولوجية الحيوية Verrucomicrobia و Bacteroidetes، كمصادر محتملة تؤوي مجالات A و KS متنوعة. قدمت بعض التربة، ولا سيما تلك الموجودة في القارة القطبية الجنوبية، دليلاً على التنوع المتوطن، بينما تجمعت تربة أخرى، مثل تلك الموجودة في أوروبا، معًا. على وجه الخصوص، ظلت غالبية قراءات المجال من القارة القطبية الجنوبية لا مثيل لها للتسلسلات المعروفة التي تشير إلى أنها يمكن أن تشفر الإنزيمات التي يحتمل أن تكون جديدة PK و NRP. يسلط النهج المعروض هنا الضوء على المصادر المحتملة للحداثة الأيضية في البيئة والتي ستكون مقدمة مفيدة لتعدين مجموعة الجينات التخليقية الحيوية الميتاجينية لـ PKs و NRPs والتي يمكن أن توفر خيوطًا للأيضات الجديدة المضادة للميكروبات.Translated Description (French)
L'émergence d'agents pathogènes résistants aux antibiotiques a créé un besoin urgent de nouveaux traitements antimicrobiens. Les progrès dans le séquençage de nouvelle génération ont ouvert de nouvelles frontières pour les programmes de découverte de produits naturels permettant l'exploitation d'une plus grande fraction de la communauté microbienne. Il a été rapporté que les produits naturels à base de polycétide (PK) et de pepetide non ribosomal (NRP) étaient liés à des composés ayant des activités antimicrobiennes et anticancéreuses. Nous rapportons ici une nouvelle approche indépendante de la culture pour explorer la diversité biosynthétique bactérienne et déterminer les phylums bactériens dans la communauté microbienne associée à la diversité PK et NRP dans des sols sélectionnés. Grâce au séquençage des amplicon, nous avons exploré la diversité microbienne (gène de l'ARNr 16S) de 13 sols de l'Antarctique, de l'Afrique, de l'Europe et d'une île des Caraïbes et l'avons corrélée avec la diversité des amplicon des domaines d'adénylation (A) et de cétosynthase (KS) dans les gènes fonctionnels codant pour les synthétases peptidiques non ribosomiques (NRPS) et les synthases polykétidiques (PKS), qui sont impliquées dans la production de NRP et de PK, respectivement. Les analyses de corrélation de Mantel et Procrustes avec les données taxonomiques microbiennes ont identifié non seulement les phylums Actinobacteria et Proteobacteria bien étudiés, mais aussi, de manière intéressante, les phylums Verrucomicrobia et Bacteroidetes, moins exploités biotechnologiquement, comme sources potentielles abritant divers domaines A et KS. Certains sols, notamment ceux de l'Antarctique, ont fourni des preuves de diversité endémique, tandis que d'autres, tels que ceux d'Europe, se sont regroupés. En particulier, la majorité des domaines lus en Antarctique sont restés inégalés par rapport aux séquences connues, ce qui suggère qu'ils pourraient coder des enzymes pour des PK et des NRP potentiellement nouveaux. L'approche présentée ici met en évidence les sources potentielles de nouveauté métabolique dans l'environnement qui seront un précurseur utile de l'extraction de grappes de gènes biosynthétiques métagénomiques pour les PK et les PNR qui pourraient fournir des pistes pour de nouveaux métabolites antimicrobiens.Translated Description (Spanish)
La aparición de patógenos resistentes a los antibióticos ha creado una necesidad urgente de nuevos tratamientos antimicrobianos. Los avances en la secuenciación de próxima generación han abierto nuevas fronteras para los programas de descubrimiento de productos naturales que permiten la explotación de una fracción mayor de la comunidad microbiana. Se ha informado que los productos naturales de policétidos (PK) y péptidos no ribosómicos (NRP) están relacionados con compuestos con actividades antimicrobianas y anticancerígenas. Presentamos aquí un nuevo enfoque independiente del cultivo para explorar la diversidad biosintética bacteriana y determinar los filos bacterianos en la comunidad microbiana asociados con la diversidad de PK y NRP en suelos seleccionados. A través de la secuenciación de amplicones, exploramos la diversidad microbiana (gen ARNr 16S) de 13 suelos de la Antártida, África, Europa y una isla del Caribe y lo correlacionamos con la diversidad de amplicones de los dominios de adenilación (A) y cetosintasa (KS) dentro de genes funcionales que codifican para péptidos sintetasas no ribosómicas (NRPS) y policétidos sintasas (PKS), que están involucrados en la producción de NRP y PK, respectivamente. Los análisis de correlación de Mantel y Procrustes con datos taxonómicos microbianos identificaron no solo los filos bien estudiados Actinobacteria y Proteobacteria, sino también, curiosamente, los filos menos explotados biotecnológicamente Verrucomicrobia y Bacteroidetes, como fuentes potenciales que albergan diversos dominios A y KS. Algunos suelos, en particular el de la Antártida, proporcionaron evidencia de diversidad endémica, mientras que otros, como los de Europa, se agruparon. En particular, la mayoría de las lecturas de dominio de la Antártida no coincidieron con las secuencias conocidas, lo que sugiere que podrían codificar enzimas para PK y NRP potencialmente novedosas. El enfoque presentado aquí destaca las posibles fuentes de novedad metabólica en el medio ambiente que serán un precursor útil para la minería de clústeres de genes biosintéticos metagenómicos para PK y NRP que podrían proporcionar pistas para nuevos metabolitos antimicrobianos.Files
s40168-019-0692-8.pdf
Files
(3.5 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:5506cc4823ce8eeba36c2a371d158adc
|
3.5 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- محركات المجتمع الميكروبية للتنوع الجيني PK/NRP في تربة عالمية مختارة
- Translated title (French)
- Facteurs de la communauté microbienne de la diversité des gènes PK/NRP dans des sols mondiaux sélectionnés
- Translated title (Spanish)
- Impulsores de la comunidad microbiana de la diversidad de genes PK/NRP en suelos globales seleccionados
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2947376273
- DOI
- 10.1186/s40168-019-0692-8
References
- https://openalex.org/W1759358249
- https://openalex.org/W1820747488
- https://openalex.org/W1898263885
- https://openalex.org/W1908709110
- https://openalex.org/W1920295170
- https://openalex.org/W1968248059
- https://openalex.org/W1977421075
- https://openalex.org/W1979974554
- https://openalex.org/W1985381418
- https://openalex.org/W1985544238
- https://openalex.org/W1992716708
- https://openalex.org/W2000176823
- https://openalex.org/W2009257824
- https://openalex.org/W2009874631
- https://openalex.org/W2012251902
- https://openalex.org/W2012960603
- https://openalex.org/W2014150426
- https://openalex.org/W2017403940
- https://openalex.org/W2026927102
- https://openalex.org/W2045737039
- https://openalex.org/W2056279562
- https://openalex.org/W2069689025
- https://openalex.org/W2072970694
- https://openalex.org/W2075466855
- https://openalex.org/W2080797004
- https://openalex.org/W2088833470
- https://openalex.org/W2098949773
- https://openalex.org/W2099172632
- https://openalex.org/W2114766231
- https://openalex.org/W2123324242
- https://openalex.org/W2129969866
- https://openalex.org/W2132548846
- https://openalex.org/W2134425065
- https://openalex.org/W2136231645
- https://openalex.org/W2139119508
- https://openalex.org/W2141474275
- https://openalex.org/W2141929300
- https://openalex.org/W2149981091
- https://openalex.org/W2154201783
- https://openalex.org/W2159675211
- https://openalex.org/W2161083472
- https://openalex.org/W2162667876
- https://openalex.org/W2163152052
- https://openalex.org/W2163598737
- https://openalex.org/W2172197142
- https://openalex.org/W2187341651
- https://openalex.org/W2230655163
- https://openalex.org/W2277241048
- https://openalex.org/W2337747100
- https://openalex.org/W2494970598
- https://openalex.org/W2561769178
- https://openalex.org/W2604719044
- https://openalex.org/W2614151742
- https://openalex.org/W2620147451
- https://openalex.org/W2740884581
- https://openalex.org/W2753536369
- https://openalex.org/W2766295148
- https://openalex.org/W2773916579
- https://openalex.org/W2903113676
- https://openalex.org/W3103855632