Концепция таксономического пространства и интегральная оценка сдвигов в структуре микробных сообществ по данным анализа библиотек гена 16S-рРНК

Проблема таксономической структуры и динамики сложных микробиомов животных, человека, растений, почвы — одна из наиболее интригующих в современной микробиологии. Технологии высокопроизводительного секвенирования при изучении разнообразия микробных сообществ по полиморфизму генов 16S-рРНК позволили существенно увеличить объемы получаемых метагеномных данных, однако их корректный анализ и биологическая интерпретация вызывают затруднения, в частности в связи с эффектом избирательной амплификации с универсальными праймерами и собственно атрибутированием образцов. Для решения описанных проблем мы создали специальную операционную среду — таксономическое пространство (ТП), в котором последовательности гена 16S-рРНК представлены точками, геометрические расстояния между которыми соответствуют генетическим дистанциям между соответствующими последовательностями. Картирование данных по биоразнообразию гена 16S-рРНК в предлагаемом ТП и представление микробного сообщества как надорганизменной системы с присущими ей интегральными параметрами имеет ряд преимуществ перед традиционными подходами к оценке биоразнообразия. Так, в рамках ТП, где каждая последовательность гена 16S-рРНК получает собственный идентификатор из 42 координат, можно анализировать неатрибутированные последовательности в любой ампликонной библиотеке. Хотя описанное в работе ТП в строгом смысле не является многомерным математическим пространством (в частности, оси ТП взаимозависимы), полученные крайне высокие коэффициенты корреляции попарных генетических дистанций между последовательностями и их геометрическими аналогами, безусловно, свидетельствуют в пользу обоснованности применения ТП на практике. Развитие концепции ТП имеет большое значение не только при анализе структуры микробных сообществ, но и для изучения эволюционной истории гена 16S-рРНК. Поскольку модель позволяет дать описание любому его варианту (реализованному и еще не реализованному в ходе эволюции), в ее рамках могут решаться вопросы, связанные с происхождением и дивергентной эволюцией прокариотных таксонов (например, возможно определение гипотетического центра его происхождения, и тогда ТП реорганизуется в эволюционное пространство). В качестве экспериментальных объектов нами использованы разные почвенные микробиомы, в том числе смоделированы их изменения под воздействием условий среды (засоление). Однако предложенный в работе математический метод универсален и может быть использован для изучения не только биоразнообразия прокариот, но и сообществ эукариотических организмов (в том числе животных и растений; перспективным таксономическим маркером в этом случае будет ген 18S-рРНК).