Exploring different aspects of a metgenomic study using third-generation sequencing

Abstract

The microbial communities found in the gastrointestinal tract of mammals, such as within the rumen of herbivores or in the gut of humans exert significant influence on their host via their vast array of metabolic functions. Understanding the composition and function of these communities can help combat some of the greatest challenges modern society faces. By understanding their function and what biochemical properties they instigate, they can be used to combat famine, reduce greenhouse gas emissions, increase nutrient absorption, and increase overall human health. These microbial communities have been challenging to explore for decades due to limitations in technology, but through the rise of second and now third generation sequencing platforms, the generation of genomic information via Metagenomic Assembled Genomes (MAGs) has become faster, cheaper and more accurate. This has allowed scientists to explore a multitude of communities previously deemed too expensive and too complex to analyze. Despite this, the number of high-quality MAGs, used to determine biochemical function in online databases is far from optimal to this day. In this study, we explore the different methodological steps that are required to perform metagenomic analysis of complex communities, with a particular focus on recovering MAGs that represent microbial populations. We applied these approaches to both rumen samples from sheep and gut samples from humans, which were also subjected to different sequencing platforms, in order to determine the strengths and weaknesses of each alternative. Differences in sampling method, DNA extraction method, sequencing platform and analyzing tools were explored to determine which were better equipped for the task of generating high-quality MAGs. Finally, we explored the applicability of long read sequencing and how it will advance metagenomic studies in the coming years.

De mikrobielle samfunnene som finnes i mage-tarmkanalen hos pattedyr, som i vommen til planteetere eller i tarmen til mennesker, har betydelig innflytelse på verten deres gjennom deres ulike metabolske funksjoner. Å forstå sammensetningen og funksjonen til disse samfunnene kan bidra til å bekjempe noen av de største utfordringene det moderne samfunnet står ovenfor. Ved å forstå deres funksjon og hvilke biokjemiske egenskaper de har, kan man benytte de til å bekjempe hungersnød, redusere klimagassutslipp, øke næringsopptaket og bedre allmenhelsen til mennesker. Disse mikrobielle samfunnene har vært utfordrende å utforske i flere tiår på grunn av begrensninger i teknologien, men gjennom forbedringer og utviklingen av andre og nå tredje generasjons sekvenseringsplattformer er utforskningen av genomisk informasjon via Metagenomic Assembled Genomes (MAGs) blitt raskere, billigere og mer nøyaktig. Dette har gjort det mulig for forskere å utforske et mangfold av samfunn, som tidligere ble ansett for for dyre og for kompliserte til å utforske. Til tross for dette er antallet MAGs av høy kvalitet, brukt til å bestemme biokjemisk funksjon, i nettbaserte databaser langt fra optimalt, selv i dag. I denne studien utforsker vi de forskjellige metodologiske trinnene som er nødvendige for å utføre metagenomisk analyse av komplekse samfunn, med særlig fokus på å uthente MAGs som representerer mikrobielle populasjoner. Vi praktiserte disse metodene på både vom prøver fra sauer og tarmsprøver fra mennesker, som igjen ble sekvensert på ulike sekvenseringsplattformer, for å utforske fordeler og ulemper ved hvert alternativ. Forskjeller i prøvetakingsmetode, DNA-ekstraksjonsmetode, sekvenseringsplattform og analyseverktøy ble undersøkt for å bestemme hvilke som var bedre rustet til oppgaven med å generere MAG-er av høy kvalitet. Til slutt undersøkte vi anvendeligheten av tredjegenerasjons sekvensering og hvordan det vil fremme metagenomiske studier de kommende årene.