Computational analysis of variation in microbial metabolic potential from metagenomes

Este trabalho teve como objetivo analisar, através de uma abordagem metagenômica/computacional, a variação do conteúdo gênico e do potencial metabólico das comunidades microbianas associadas a dois ambientes da Fundação Parque Zoológico de São Paulo: um reservatório artificial, o Lago São Francisco e o sistema de compostagem de resíduos do parque. Para o estudo do primeiro ambiente, amostras foram coletadas mensalmente no Lago São Francisco de outubro de 2012 a setembro de 2013 e submetidas ao sequenciamento metagenômico. Esse estudo mostrou que agrupamentos de amostras de uma mesma estação são estatisticamente suportados. As coocorrências de espécies, com suporte estatístico alto, foram estabelecidas e representadas em uma rede separada em 60 grupos ou módulos. A maioria dos grandes módulos foram formados quase exclusivamente por espécies do mesmo filo, indicando possíveis mecanismos de resposta a fatores ambientais e à presença de nutrientes ao invés da pura interação entre espécies. Os fatores que levaram à variação dos táxons também influenciaram o potencial metabólico da comunidade: embora os módulos metabólicos de forma geral estivessem distribuídos ao longo dos meses, alguns se destacaram pela variação intensa, principalmente na amostra de novembro de 2012. Para o estudo do segundo ambiente, foram analisados dois conjuntos de dados de sequenciamento metagenômico gerados a partir de amostras seriadas coletadas ao longo do processo de compostagem. Nos dias iniciais do processo de compostagem, os mais discrepantes, houve uma super-representação de módulos metabólicos relacionados principalmente ao metabolismo de carboidratos e à síntese de aminoácidos. Em conjunto, os dados obtidos nesse estudo indicaram uma comunidade microbiana com potencial metabólico variando direcionalmente em função dos compostos inicialmente presentes ou oriundos do substrato, em função da presença de oxigênio e em função da etapa do processo.This project aimed to analyze, through a computational approach, the change of gene content and metabolic potential in metagenomes from two microbiomes from São Paulo Zoo Park Foundation: an artificial reservoir, Lake São Francisco, and the compost systems in the park. For the study on the first microbiome, samples were monthly collected in Lake São Francisco from October 2012 to September 2013 and submitted to metagenomic sequencing. This study showed that clustering of the samples from a same season is statistically supported. The species co-occorrences, with high statistical support, were established and represented in a network composed by 60 groups or modules. The most biggest modules were formed almost exclusively by species of the same phylum, pointing possible response mechanisms to environmental factors and to presence of nutrients instead of the simple species interaction. The factors which leaded to taxa variation also influenced the metabolic potential of the community: although the metabolic modules generally are spreaded through the months, some highlighted because the intense variation, mainly in the sample from November 2012. For the latter environment, two metagenomic datasets were analyzed from serial samples collected throughout the composting process. In the initial days of composting process, the most discrepant, there was an uprepresentation of metabolic modules related to carbohydrates metabolism and amino acids synthesis. All data in this study indicated a microbial community with metabolic potential varying according to nutrientes, oxygen presence and process stage