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metaGEM: reconstruction of genome scale metabolic models directly from metagenomes

基因组 基因组 计算生物学 生物 背景(考古学) 管道(软件) 微生物群 通量平衡分析 计算机科学 基因 遗传学 古生物学 程序设计语言
作者
Francisco Zorrilla,Kiran Raosaheb Patil,Aleksej Zelezniak
标识
DOI:10.1101/2020.12.31.424982
摘要

Abstract Advances in genome-resolved metagenomic analysis of complex microbial communities have revealed a large degree of interspecies and intraspecies genetic diversity through the reconstruction of metagenome assembled genomes (MAGs). Yet, metabolic modeling efforts still tend to rely on reference genomes as the starting point for reconstruction and simulation of genome scale metabolic models (GEMs), neglecting the immense intra- and inter-species diversity present in microbial communities. Here we present metaGEM ( https://github.com/franciscozorrilla/metaGEM ), an end-to-end highly scalable pipeline enabling metabolic modeling of multi-species communities directly from metagenomic samples. The pipeline automates all steps from the extraction of context-specific prokaryotic GEMs from metagenome assembled genomes to community level flux balance simulations. To demonstrate the capabilities of the metaGEM pipeline, we analyzed 483 samples spanning lab culture, human gut, plant associated, soil, and ocean metagenomes, to reconstruct over 14 000 prokaryotic GEMs. We show that GEMs reconstructed from metagenomes have fully represented metabolism comparable to the GEMs reconstructed from reference genomes. We further demonstrate that metagenomic GEMs capture intraspecies metabolic diversity by identifying the differences between pathogenicity levels of type 2 diabetes at the level of gut bacterial metabolic exchanges. Overall, our pipeline enables simulation-ready metabolic model reconstruction directly from individual metagenomes, provides a resource of all reconstructed metabolic models, and showcases community-level modeling of microbiomes associated with disease conditions allowing generation of mechanistic hypotheses.
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