Recuperação de elementos genéticos móveis e prospecção de genes de resistência a antibióticos em dados metagenômicos de compostagem termofílica

• Autor(a) principal: Rodrigues, Remigio Cenepo Escobar
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/95/95131/tde-04122023-211130/
• topic: Compostagem; Composting; Metagenômica shotgun; Mobiloma; Mobilome; Plasmidoma; Plasmidome; Resistoma; Resistome; Short reads; Short reads; Shotgun metagenomics

A metagenômica shotgun permite a caracterização da composição taxonômica e do potencial funcional de microbiomas, independente de isolamento e de cultivo dos microrganismos. A análise funcional de microbiomas é realizada diretamente nas reads, nos contigs ou em MAGs (Metagenome Assembled Genome). Embora muito utilizada, a análise através de MAGs é limitada visto que os MGEs (Mobile Genetic Element) não são geralmente contemplados na montagem. MGEs, como exemplo os plasmídeos, atuam na disseminação de ARGs (Antibiotic Resistance Gene) e contribuem para o aumento da resistência antimicrobiana. A recuperação de MGEs e a prospecção de ARGs a partir de dados metagenômicos pode auxiliar na compreensão da função que eles exercem na comunidade microbiana. Neste trabalho, investigamos o mobiloma (conjunto de MGEs), com ênfase no plasmidoma (conjunto de plasmídeos), e o resistoma (conjunto de ARGs) em dados de metagenômica shotgun de short reads da compostagem termofílica do Parque Zoológico de São Paulo. Esses dados foram obtidos em trabalhos anteriores e possibilitaram elucidar a composição do microbioma da compostagem e realizar sua caracterização funcional, principalmente quanto ao seu potencial de degradação da biomassa lignocelulósica. Entretanto, o conteúdo de MGEs e de ARGs, foi pouco explorado. Para realizar este estudo, estabelecemos uma metodologia de análise para a recuperação dos MGEs e para a prospecção dos ARGs, a partir da integração de distintas ferramentas computacionais e bancos de dados. As reads brutas foram submetidas a filtro de qualidade e montadas em contigs dos quais ~235 mil contigs (8,9% do total) tiveram tamanho 1 kpb. Desses contigs, recuperamos 24896 contigs com 5 ferramentas computacionais de recuperação de plasmídeos. Em seguida, 652 contigs, preditos como sendo de plasmídeos por pelo menos duas das ferramentas de recuperação de plasmídeos, foram submetidos a anotação e comparados ao RefSeq de plasmídeos (NCBI Reference Sequence Database). Em 649 contigs foram encontrados 17112 ORFs que tiveram similaridade contra 3 bases de dados, destas 50% estavam associadas a genes essenciais da base DEG (Database of Essential Genes), 77% tiveram similaridade com o RefSeq e 76% com o COG (The Clusters of Orthologous Genes). Dentre os contigs preditos como plasmídeos, 230 apresentaram características mais robustas de plasmídeos, dos quais apenas uma pequena fração de contigs foram similares a 4 plasmídeos encontrados nas bases de dados interrogadas. Nos contigs de plasmídeos identificamos uma alta abundância de genes de transposases, de proteínas de replicação e manutenção plasmidial além de mecanismos de defesa incluindo resposta a estresse oxidativo, resistência a metais pesados e genes de resistência a aminoglicosídeos e a sulfonamidas. Cabe destacar que os ARGs identificados estavam mais associados aos contigs de cromossomos do que de plasmídeos. Observamos que vários dos contigs de plasmídeos estão presentes em mais de uma das amostras coletadas ao longo do processo de compostagem. Verificamos que reads do metatranscritoma da compostagem mapearam em genes de transposases e de início de replicação de alguns dos contigs de plasmídeos sugerindo que tais elementos estão expressos. Embora ainda existem desafios na montagem de sequências repetitivas que dificultam a recuperação de plasmídeos, a metodologia que estabelecemos possibilitou a recuperação mais precisa de contigs de plasmídeos a partir de dados de metagenômica shotgun de short reads.