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Título: Análise metagenômica de rúmen bovino: revisão de algoritmos e processamento de dados para a compreensão do metagenoma ruminal
Título(s) alternativo(s): Metagenomic analysis of bovine rumen: algorithm review and data processing for understanding ruminal microbiota modulation
Autor(es): Danzer, Emerson Willian
Orientador(es): Maniglia, Thiago Cintra
Palavras-chave: Bioinformática
Bovinos - Criação
Metagenômica
Rúmen
Bioinformatics
Cattle - Breeding
Metagenomics
Rumen
Data do documento: 23-Jun-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Toledo
Citação: DANZER, Emerson Willian. Análise metagenômica de rúmen bovino: revisão de algoritmos e processamento de dados para a compreensão do metagenoma ruminal. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2023.
Resumo: A bovinocultura desempenha um papel crucial na produção de alimentos, compreender a microbiota ruminal é essencial para otimizar a nutrição e a eficiência produtiva nesse setor. O uso de técnicas avançadas de Sequenciamento de Nova Geração (NGS) e análise metagenômica possibilita o estudo da diversidade e função dessa complexa comunidade microbiana. No entanto, a análise metagenômica requer algoritmos e técnicas computacionais sofisticadas para identificar microrganismos, reconstruir genomas e compreender as capacidades metabólicas. Portanto, é fundamental conhecer esses algoritmos para obter resultados significativos, enfrentar desafios e aprimorar as estratégias de análise. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo identificar algoritmos, processar e analisar dados metagenômicos de amostras de rúmen bovino submetidas à suplementação de aditivos naturais. Foram objetos de análise, dados de um projeto prévio disponível no banco de dados do European Bioinformatics Institute. Utilizaram-se algoritmos compatíveis com a infraestrutura de um computador pessoal, incluindo a plataforma Linux e as distribuições de Python, Anaconda 3 e Mamba. As etapas de pré-processamento dos dados, controle de qualidade, montagem de contigs, identificação taxonômica, binning e anotação funcional dos genomas foram executadas. Foram adotados os algoritmos FastQC, MultiQC, Trimmomatic, Megahit, Kraken 2, MetaBat2, MaxBin2, CONCOCT, Prokka e SALMON para as respectivas etapas de análise. Os resultados do processamento das amostras demonstraram boa qualidade, com exceção de uma amostra com alta duplicação. A análise taxonômica revelou uma alta porcentagem de reads não classificados, mas também identificou diferenças nas abundâncias de gêneros bacterianos, como Pseudoprevotella, Prevotella e Alistipes. Algumas espécies específicas, como Pseudoprevotella muciniphila, foram identificadas. A formação de Metagenome-Assembled Genomes (MAGs) destacou a prevalência de certos grupos taxonômicos, como Bacteroidales e Clostridiales. A anotação dos genomas identificou proteínas hipotéticas e mostrou diferenças nos genes relacionados a lipases, metabolismo de celulose, quebra de moléculas complexas e antioxidantes entre os tratamentos. O estudo fornece informações valiosas sobre a microbiota ruminal, mas é importante destacar que estudos futuros com ferramentas atualizadas e análises mais detalhadas oferecem oportunidades promissoras para expandir o conhecimento sobre a eficácia dos tratamentos na modulação da composição microbiana no rúmen.
Abstract: Cattle farming plays a crucial role in food production, and understanding the rumen microbiota is essential for optimizing nutrition and productivity in this sector. The use of advanced Next-Generation Sequencing (NGS) techniques and metagenomic analysis enables the study of diversity and function within this complex microbial community. However, metagenomic analysis requires sophisticated algorithms and computational techniques to identify microorganisms, reconstruct genomes, and understand metabolic capabilities. Therefore, it is essential to be familiar with these algorithms to obtain meaningful results, address challenges, and improve analysis strategies. In this context, this study aimed to identify algorithms, process, and analyze metagenomic data from samples of bovine rumen subjected to natural additive supplementation. Data from a previous project available in the European Bioinformatics Institute database were also analyzed. Compatible algorithms were used with the infrastructure of a personal computer, including the Linux platform and Python distributions such as Anaconda 3 and Mamba. Steps such as data preprocessing, quality control, contig assembly, taxonomic identification, binning, and functional genome annotation were performed. The following algorithms were adopted for their respective analysis steps: FastQC, MultiQC, Trimmomatic, Megahit, Kraken 2, MetaBat2, MaxBin2, CONCOCT, Prokka, and SALMON. The results of sample processing demonstrated good quality, with the exception of one sample showing high duplication. Taxonomic analysis revealed a high percentage of unclassified reads but also identified differences in the abundance of bacterial genera such as Pseudoprevotella, Prevotella, and Alistipes. Specific species like Pseudoprevotella muciniphila were identified. The formation of Metagenome-Assembled Genomes (MAGs) highlighted the prevalence of certain taxonomic groups such as Bacteroidales and Clostridiales. Genome annotation identified hypothetical proteins and showed differences in genes related to lipases, cellulose metabolism, complex molecule breakdown, and antioxidants among the treatments. The study provides valuable information about the rumen microbiota, but it is important to note that future studies using updated tools and more detailed analyses offer promising opportunities to expand knowledge on the effectiveness of treatments in modulating rumen microbial composition.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37098
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