Ecological modelling for next generation sequencing data

Le tecniche di next generation sequencing costituiscono un potente strumento per diverse applicazioni, soprattutto da quando i loro costi sono iniziati a calare e la qualità dei loro dati a migliorare. Una delle applicazioni del sequencing è certamente la metagenomica, ovvero l'analisi di microorganismi entro un dato ambiente, come per esempio quello dell'intestino. In quest'ambito il sequencing ha permesso di campionare specie batteriche a cui non si riusciva ad accedere con le tradizionali tecniche di coltura. Lo studio delle popolazioni batteriche intestinali è molto importante in quanto queste risultano alterate come effetto ma anche causa di numerose malattie, come quelle metaboliche (obesità, diabete di tipo 2, etc.). In questo lavoro siamo partiti da dati di next generation sequencing del microbiota intestinale di 5 animali (16S rRNA sequencing) [Jeraldo et al.]. Abbiamo applicato algoritmi ottimizzati (UCLUST) per clusterizzare le sequenze generate in OTU (Operational Taxonomic Units), che corrispondono a cluster di specie batteriche ad un determinato livello tassonomico. Abbiamo poi applicato la teoria ecologica a master equation sviluppata da [Volkov et al.] per descrivere la distribuzione dell'abbondanza relativa delle specie (RSA) per i nostri campioni. La RSA è uno strumento ormai validato per lo studio della biodiversità dei sistemi ecologici e mostra una transizione da un andamento a logserie ad uno a lognormale passando da piccole comunità locali isolate a più grandi metacomunità costituite da più comunità locali che possono in qualche modo interagire. Abbiamo mostrato come le OTU di popolazioni batteriche intestinali costituiscono un sistema ecologico che segue queste stesse regole se ottenuto usando diverse soglie di similarità nella procedura di clustering. Ci aspettiamo quindi che questo risultato possa essere sfruttato per la comprensione della dinamica delle popolazioni batteriche e quindi di come queste variano in presenza di particolari malattie.

Preliminary identification of dehalogenation specificities exhibited by dehalorespiring bacteria from a marine microbial community

The ability of a previously PCB-enriched microbial culture from Venice Lagoon marine sediments to dechlorinate pentachlorophenol (PCP) and 2,3,5-trichlorophenol (2,3,5-TCP) was confirmed under anaerobic conditions in microcosms consisting of site water and sediment. Dechlorination activities against Aroclor 1254 PCB mixture were also confirmed as control. Pentachlorophenol was degraded to 2,4,6-TCP (75.92±0.85 mol%), 3,5-DCP (6.40±0.75 mol%), and phenol (15.40±0.87 mol%). From the distribution of the different dechlorination products accumulated in the PCP-spiked cultures over time, two dechlorination pathways for PCP were proposed: (i) PCP to 2,3,4,6-TeCP, then to 2,4,6-TCP through the removal of both meta double-flanked chlorine substituents (main pathway); (ii) alternately, PCP to 2,3,5,6-TeCP, 2,3,5-TCP, 3,5-DCP, then phenol, through the removal of the para double-flanked chlorine, followed by ortho single-flanked chlorines, and finally meta unflanked chlorines (minor pathway). Removal of meta double-flanked chlorines is thus preferred over all other substituents. 2,3,5-TCP, that completely lacks double-flanked chlorines, was degraded to 3,5-DCP through removal of the ortho single-flanked chlorine, with a 99.6% reduction in initial concentration of 2,3,5-TCP by week 14. 16S rRNA PCR-DGGE using Chloroflexi-specific primers revealed a different role of the two microorganisms VLD-1 and VLD-2, previously identified as dechlorinators in the Aroclor 1254 PCB-enriched community, in the dehalogenation of chlorophenols. VLD-1 was observed both in PCP- and TCP-dechlorinating communities, whereas VLD-2 only in TCP-dechlorinating communities. This indicates that VLD-1 and VLD-2 may both dechlorinate ortho single-flanked chlorines, but only VLD-1 is able to remove double-flanked meta or para chlorines.