Surf genético: una herramienta eficiente y versátil para la minería enzimática dirigida en metagenómica

Área de la Ciencia:

• Microbiología
• La bioinformática
• Enzimología

Sus antecedentes:

• Las enzimas son cruciales para el metabolismo del ecosistema, pero los microbios no cultivados limitan el descubrimiento de enzimas.
• La metagenómica ofrece acceso a los recursos genéticos microbianos, pero se enfrenta a desafíos en la identificación precisa de enzimas.
• Los métodos existentes luchan con diversos tipos de muestras y un alcance funcional limitado para el descubrimiento de enzimas.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una plataforma bioinformática robusta para la identificación eficiente y precisa de enzimas microbianas a partir de datos metagenómicos.
• Superar las limitaciones en el descubrimiento de enzimas relacionadas con la variabilidad de la muestra y el alcance funcional.
• Validar la eficacia de la plataforma en la identificación y caracterización funcional de enzimas con funciones catalíticas específicas.

Principales métodos:

• Desarrollo de Gene Surfing, un flujo de trabajo de bioinformática basado en Snakemake.
• Integración de módulos para el control de la calidad de los datos (Fastp), el ensamblaje del genoma (MEGAHIT), la evaluación del ensamblaje (QUAST, MetaQUAST), la anotación funcional (Prokka) y la recuperación de secuencias (MMseqs2).
• Validación funcional de los candidatos a enzimas identificados mediante ensayos experimentales.

Principales resultados:

• Identificación de 1.311.316 secuencias potenciales de enzimas lignocelulóticas, con 127 validadas funcionalmente (84,25% de actividad).
• Descubrimiento de 705 enzimas candidatas para la degradación del polietileno, con 31 de 38 expresadas y validadas (81,5% de actividad).
• Recuperación de 585 secuencias potenciales de endonucleasa, con 4 de las 7 probadas mostrando actividad (tasa de éxito del 57,1%).

Conclusiones:

• Gene Surfing proporciona una solución escalable, reproducible y eficiente para la identificación de enzimas microbianas a partir de datos metagenómicos.
• La plataforma identificó y validó con éxito enzimas con diversas funciones, incluidas las actividades lignocelulóticas, de degradación del polietileno y de la endonucleasa.
• El surfing genético avanza significativamente en la exploración de los recursos de enzimas microbianas no cultivadas para aplicaciones biotecnológicas.