The lion's share of bacteria in various environments cannot be cloned in the laboratory and thus cannot be sequenced using existing technologies. A major goal of single-cell genomics is to complement gene-centric metagenomic data with whole-genome assemblies of uncultivated organisms. Assembly of single-cell data is challenging because of highly non-uniform read coverage as well as elevated levels of sequencing errors and chimeric reads. We describe SPAdes, a new assembler for both single-cell and standard (multicell) assembly, and demonstrate that it improves on the recently released E+V−SC assembler (specialized for single-cell data) and on popular assemblers Velvet and SoapDeNovo (for multicell data). SPAdes generates single-cell assemblies, providing information about genomes of uncultivatable bacteria that vastly exceeds what may be obtained via traditional metagenomics studies. SPAdes is available online (http://bioinf.spbau.ru/spades). It is distributed as open source software.

Abstract Summary: Limitations of genome sequencing techniques have led to dozens of assembly algorithms, none of which is perfect. A number of methods for comparing assemblers have been developed, but none is yet a recognized benchmark. Further, most existing methods for comparing assemblies are only applicable to new assemblies of finished genomes; the problem of evaluating assemblies of previously unsequenced species has not been adequately considered. Here, we present QUAST—a quality assessment tool for evaluating and comparing genome assemblies. This tool improves on leading assembly comparison software with new ideas and quality metrics. QUAST can evaluate assemblies both with a reference genome, as well as without a reference. QUAST produces many reports, summary tables and plots to help scientists in their research and in their publications. In this study, we used QUAST to compare several genome assemblers on three datasets. QUAST tables and plots for all of them are available in the Supplementary Material, and interactive versions of these reports are on the QUAST website. Availability: http://bioinf.spbau.ru/quast Contact: gurevich@bioinf.spbau.ru Supplementary information: Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Recent advances in single-cell genomics provide an alternative to largely gene-centric metagenomics studies, enabling whole-genome sequencing of uncultivated bacteria. However, single-cell assembly projects are challenging due to (i) the highly nonuniform read coverage and (ii) a greatly elevated number of chimeric reads and read pairs. While recently developed single-cell assemblers have addressed the former challenge, methods for assembling highly chimeric reads remain poorly explored. We present algorithms for identifying chimeric edges and resolving complex bulges in de Bruijn graphs, which significantly improve single-cell assemblies. We further describe applications of the single-cell assembler SPAdes to a new approach for capturing and sequencing “microbial dark matter” that forms small pools of randomly selected single cells (called a mini-metagenome) and further sequences all genomes from the mini-metagenome at once. On single-cell bacterial datasets, SPAdes improves on the recently developed E+V-SC and IDBA-UD assemblers specifically designed for single-cell sequencing. For standard (cultivated monostrain) datasets, SPAdes also improves on A5, ABySS, CLC, EULER-SR, Ray, SOAPdenovo, and Velvet. Thus, recently developed single-cell assemblers not only enable single-cell sequencing, but also improve on conventional assemblers on their own turf. SPAdes is available for free online download under a GPLv2 license.

The emergence of high-throughput sequencing technologies revolutionized genomics in early 2000s. The next revolution came with the era of long-read sequencing. These technological advances along with novel computational approaches became the next step towards the automatic pipelines capable to assemble nearly complete mammalian-size genomes.In this manuscript, we demonstrate performance of the state-of-the-art genome assembly software on six eukaryotic datasets sequenced using different technologies. To evaluate the results, we developed QUAST-LG-a tool that compares large genomic de novo assemblies against reference sequences and computes relevant quality metrics. Since genomes generally cannot be reconstructed completely due to complex repeat patterns and low coverage regions, we introduce a concept of upper bound assembly for a given genome and set of reads, and compute theoretical limits on assembly correctness and completeness. Using QUAST-LG, we show how close the assemblies are to the theoretical optimum, and how far this optimum is from the finished reference.http://cab.spbu.ru/software/quast-lg.Supplementary data are available at Bioinformatics online.

Molecular networking has become a key method to visualize and annotate the chemical space in non-targeted mass spectrometry data. We present feature-based molecular networking (FBMN) as an analysis method in the Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) infrastructure that builds on chromatographic feature detection and alignment tools. FBMN enables quantitative analysis and resolution of isomers, including from ion mobility spectrometry. Feature-based molecular networking allows the generation of molecular networks for mass spectrometry data that can recognize isomers, incorporate relative quantification and integrate ion mobility data.

The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI) community initiative presents results from its first challenge, a rigorous benchmarking of software for metagenome assembly, binning and taxonomic profiling. Methods for assembly, taxonomic profiling and binning are key to interpreting metagenome data, but a lack of consensus about benchmarking complicates performance assessment. The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI) challenge has engaged the global developer community to benchmark their programs on highly complex and realistic data sets, generated from ∼700 newly sequenced microorganisms and ∼600 novel viruses and plasmids and representing common experimental setups. Assembly and genome binning programs performed well for species represented by individual genomes but were substantially affected by the presence of related strains. Taxonomic profiling and binning programs were proficient at high taxonomic ranks, with a notable performance decrease below family level. Parameter settings markedly affected performance, underscoring their importance for program reproducibility. The CAMI results highlight current challenges but also provide a roadmap for software selection to answer specific research questions.

Long-read sequencing technologies have substantially improved the assemblies of many isolate bacterial genomes as compared to fragmented short-read assemblies. However, assembling complex metagenomic datasets remains difficult even for state-of-the-art long-read assemblers. Here we present metaFlye, which addresses important long-read metagenomic assembly challenges, such as uneven bacterial composition and intra-species heterogeneity. First, we benchmarked metaFlye using simulated and mock bacterial communities and show that it consistently produces assemblies with better completeness and contiguity than state-of-the-art long-read assemblers. Second, we performed long-read sequencing of the sheep microbiome and applied metaFlye to reconstruct 63 complete or nearly complete bacterial genomes within single contigs. Finally, we show that long-read assembly of human microbiomes enables the discovery of full-length biosynthetic gene clusters that encode biomedically important natural products.

During the past years we have witnessed the rapid development of new metagenome assembly methods. Although there are many benchmark utilities designed for single-genome assemblies, there is no well-recognized evaluation and comparison tool for metagenomic-specific analogues. In this article, we present MetaQUAST, a modification of QUAST, the state-of-the-art tool for genome assembly evaluation based on alignment of contigs to a reference. MetaQUAST addresses such metagenome datasets features as (i) unknown species content by detecting and downloading reference sequences, (ii) huge diversity by giving comprehensive reports for multiple genomes and (iii) presence of highly relative species by detecting chimeric contigs. We demonstrate MetaQUAST performance by comparing several leading assemblers on one simulated and two real datasets.http://bioinf.spbau.ru/metaquastaleksey.gurevich@spbu.ruSupplementary data are available at Bioinformatics online.

Natural products have traditionally been rich sources for drug discovery. In order to clear the road toward the discovery of unknown natural products, biologists need dereplication strategies that identify known ones. Here we report DEREPLICATOR+, an algorithm that improves on the previous approaches for identifying peptidic natural products, and extends them for identification of polyketides, terpenes, benzenoids, alkaloids, flavonoids, and other classes of natural products. We show that DEREPLICATOR+ can search all spectra in the recently launched Global Natural Products Social molecular network and identify an order of magnitude more natural products than previous dereplication efforts. We further demonstrate that DEREPLICATOR+ enables cross-validation of genome-mining and peptidogenomics/glycogenomics results.