Big data analytics and automated interpretation for DNA
Creators: name: Ταμβάκης, Άγγελος Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Μεταγονιδιωματική
MG-RAST
Kraken
Βιοκαταστροφή
Βιοπροστασία
Metagenomic
Biodeterioration
Bioprotection

description: Nowadays, the majority of humankind lives in urban areas. During the COVID pandemic, it became clear that life exists beyond what the human eye can see. Microbes exist everywhere. The different types of microbes found in a habitat are related to the specific environmental conditions. The term “urban microbiome” refers to pathogens, pathogen-indicators, or bio-threat agents; however, microbes are not always harmful. Besides human health, microbes can also affect the surfaces of construction, buildings, and monuments. In recent years, the constant advancement of sequencing technologies has allowed microbiome research to grow. With the development of Next-Generation Sequencing (NGS) technologies, the study of microbiomes has become easier. Since 2015, ‘’The International Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes (MetaSUB) Consortium” has provided useful information regarding urban microbiomes. The current research examines fourteen DNA samples acquired from two popular historic monuments, the Crypt of St. Demetrius and the White Tower, in Thessaloniki, Greece. During this study, modern metagenomic analysis pipelines are utilized, such as PANDAseq for paired-end sequencing and MG-RAST and Kraken2 for the taxonomic annotation of our samples. Lastly, the JGI/IMG pipeline was used to make the genome assembly of St. Demetrius samples. The purpose of this research is to identify the distinct microbial flora living in those monuments and investigate whether these microbes indeed cause the usual problem of biodeterioration of the mentioned monuments. Moreover, the classification results of two of the most popular metagenomic analysis annotation pipelines (MG-RAST and Kraken2) were compared. Both pipelines resulted in the identification of Halobacteria as the dominant taxon in the samples from St. Demetrius, while the White Tower samples are mostly characterized by the presence of Proteobacteria. Halobacteria are bacteria able to survive in harsh environments with high salinity, and usually samples including Halobacteria have low diversity. We hypothesize that the presence of Halobacteria in the Crypt of St. Demetrius may offer protection to the monument, preventing the colonization of harmful microbes, resulting in biodeterioration. Finally, no significant statistical differences were observed between the two metagenomic classification pipelines used, with MG-RAST classifying fewer sequences overall due to its data hygiene protocols. Kraken2 is more customizable but requires some programming knowledge and computational resources, while MG-RAST is more user-friendly but relies on external computational resources.
description: Με το πέρασμα του χρόνου όλο και περισσότερος πληθυσμός μετακινείται από τις αγροτικές περιοχές στον αστικό ιστό. Κατά την διάρκεια της πανδημίας εντυπώθηκε για τα καλά στην ανθρωπότητα, το γεγονός ότι υπάρχει έντονη δραστηριότητα και ζωή πέρα από όσα είναι ικανό να αντιληφθεί το ανθρώπινο μάτι. Οι μικροβιακοί οργανισμοί ζούνε παντού γύρω μας. Οι διαφορετικοί τύποι μικροβίων σχετίζονται κυρίως με τις περιβαλλοντικές συνθήκες του εκάστοτε ενδιαιτήματος. Με τον όρο ‘’αστικό μικροβίωμα» αναφερόμαστε στους παθογόνους οργανισμούς, παθογόνους οργανισμούς-δείκτες ή παράγοντες βιοαπειλής. Παρόλο αυτά τα μικρόβια δεν είναι πάντα απαραίτητα επιβλαβή για την ανθρωπότητα. Πέραν της ανθρώπινης υγείας τα μικρόβια μπορούν να επηρεάσουν τα κτίρια και ιστορικά μνημεία. Τα τελευταία χρόνια η συνεχής πρόοδος των τεχνολογιών προσδιορισμού της γονιδιωματικής αλληλουχίας (NGS) επέτρεψε την ανάπτυξη της έρευνας των μικροβίων. Από το 2015 το πρόγραμμα "The International Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes (MetaSUB) Consortium", έχει προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τα μικρόβια στον αστικό ιστό. Η συγκεκριμένη έρευνα εξετάζει 14 δείγματα τα οποία προέρχονται από δύο ιστορικά μνημεία της Θεσσαλονίκης, αυτό της Κρύπτης του Αγ. Δημητρίου και του Λευκού Πύργου. Κατά την διάρκεια αυτής της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν μοντέρνα πρωτόκολλα μεταγονιδιωματικής ανάλυσης όπως το PANDAseq για την αλληλούχιση, χρησιμοποιώντας και τα δύο άκρα μίας ακολουθίας και το MG-RAST και Kraken2 για την ταξινόμηση των δειγμάτων μας. Επιπλέον χρησιμοποιήθηκε και το πρωτόκολλο του JGI/IMG. Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι να αναγνωριστούν οι διάφορες μικροβιακές κοινότητες που υπάρχουν στα δύο αυτά μνημεία και να ερευνηθεί αν πραγματικά τα μικρόβια αυτά αποτελούν απειλή για την υγεία των δύο μνημείων. Παράλληλα συγκρίνουμε και τα αποτελέσματα της ταξινόμησης που προσφέρουν τα δύο διαφορετικά πρωτόκολλα (MG-RAST, Kraken2). Και τα δύο πρωτόκολλα αναδεικνύουν την έντονη παρουσία των Halobacteria στο μνημείο της κρύπτης του Αγ. Δημητρίου, ενώ στον Λευκό Πύργο υπερτερούν τα Proteobacteria. Τα Halobacteria είναι βακτήρια γνωστά για την ικανότητα τους να επιβιώνουν σε περιβάλλοντα με ακραίες συνθήκες, όπως η έντονη αλατότητα. Υποθέτουμε πως η παρουσία των Halobacteria στο μνημείο του Αγ. Δημητρίου εν τέλη προσφέρει προστασία στο μνημείο, καθώς αποτρέπει την εγκαθίδρυση άλλων μικροβίων, τα οποία δυνητικά θα συνέβαλαν στην αποσάθρωση και σταδιακά καταστροφή του μνημείου. Τέλος, δεν εντοπίστηκαν σημαντικές διαφορές στο αποτέλεσμα ταξινόμησης που προσέφεραν τα δύο πρωτόκολλα, με το MG-RAST να ταξινομεί λιγότερες ακολουθίες συνολικά, λόγω του αλγόριθμου του σχετικά με τον έλεγχο ποιότητας των ακολουθιών. Το Kraken2 προσφέρει μεγαλύτερη ελευθερία στον χρήστη, όμως απαιτεί κάποια γνώση προγραμματισμού καθώς και την κατοχή υπολογιστικών πόρων. Αντιθέτως, το MG-RAST είναι πιο φιλικό προς τον χρήστη όμως εξαρτάται αποκλειστικά από υπολογιστικού πόρους που δεν είναι στην κατοχή του χρήστη.