基于高通量測序技術(shù)，我們可利用宏基因組數(shù)據(jù)中組裝得到的MAGs來研究微生物生態(tài)學(xué)。這種技術(shù)使構(gòu)建微生物的基因組圖譜，破譯微生物的功能和活動，使重建其在生物地球化學(xué)過程中的作用研究成為可能。雖然目前已有的基因組數(shù)據(jù)分析工具可在一定程度上注釋和描述代謝功能，但缺乏全面的下游分析處理，包括代謝預(yù)測、代謝物交換、微生物相互作用和微生物對生物地球化學(xué)循環(huán)的貢獻(xiàn)等。針對上述問題，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員，開發(fā)了一個新工具:METABOLIC，用以進(jìn)行微生物基因組及宏樣本中單菌基因組組裝，來分析微生物的代謝功能網(wǎng)絡(luò)。
(1) 利用Prodigal工具對基因組基因預(yù)測；
(2) 通過6個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行代謝功能注釋（KOFAM，Pfam, MEROPs,TIGRfam，dbCan2和自定義HMM數(shù)數(shù)據(jù)庫）；
(3) motif validation：為增加注釋的可信度，將蛋白序列上的motifs與自建的高度保守的蛋白質(zhì)殘基序列數(shù)據(jù)庫HMM進(jìn)行比較；
(4) 將測序數(shù)據(jù)比對到基因集上，得到的基因豐度數(shù)據(jù)可用以計算代謝網(wǎng)絡(luò)模塊的豐度（可選）；
(5) 用GTDBTK工具對微生物基因組或者M(jìn)AGs做分類注釋；
(6) 輸出包括6個不同的結(jié)果，同時給出MW-score (metabolic weight score)，這個指標(biāo)可以反映共享功能網(wǎng)絡(luò)中的微生物群落的功能能力和豐度。
圖1 METABOLIC的分析流程
1、生物地球化學(xué)循環(huán)可視化
圖2 氮、硫和碳循環(huán)的示意圖
2、順序反應(yīng)的定量可視化
圖3 順序反應(yīng)定量示意圖
A無機(jī)化合物的順序轉(zhuǎn)化 B有機(jī)化合物的順序轉(zhuǎn)化
3、功能網(wǎng)絡(luò)的計算和可視化
圖4 顯示微生物群落中不同功能之間的聯(lián)系的功能網(wǎng)絡(luò)
（節(jié)點(diǎn)代表生物地球化學(xué)循環(huán)中的各個步驟，連接的邊表示節(jié)點(diǎn)之間的功能連接)
4、微生物群落代謝功能貢獻(xiàn)的可視化
圖5 ?；鶊D
5、METABOLIC性能演示
圖6 基于MW-scores的代謝比較
A陸地地下（左紅色條）和海洋海底（右藍(lán)色條）之間的比較
B深海熱液噴口（左紅條）與淡水湖（右藍(lán)條）的對比
圖7 兩個微生物基因組的細(xì)胞代謝圖
圖8 結(jié)腸直腸癌(CRC)患者和健康對照腸道樣本的人類微生物組代謝的存在/缺失圖譜
參考文獻(xiàn)
METABOLIC: high-throughput profiling of microbial genomes for functional traits, metabolism, biogeochemistry, and community-scale functional networks
https://doi.org/10.1186/s40168-021-01213-8
