METAGENÓMICA
El análisis
funcional y de secuencias de los genomas microbianos colectivos contenidos en
una muestra ambiental, basándose ya sea en expresión o secuenciación.
Es una rama de
la genómica en la que se estudian los
genomas de comunidades enteras de microbios, sin la necesidad de aislarlos
previamente. Es así como la metagenómica se convierte en una herramienta
ventajosa y posibilita la construcción de bibliotecas genómicas de muestras
complejas de diversos microorganismos.
Esta tecnología
se basa en la extracción, secuenciación y análisis de ADN microbiano extraído
directamente de comunidades de muestras de diversos ambientes, como agua,
suelo, tracto digestivo, etc. . La metagenómica
permite obtener así información no sólo de la estructura de la comunidad
(riqueza de especies, diversidad y distribución) sino también de la función
potencial de la comunidad.
La iniciativa
de concretar proyectos metagenómicos requiere de la colaboración entre
múltiples centros de investigación en todo el mundo, de la mejora de las
tecnologías de secuenciación de genes y el aprovechamiento de las herramientas
más actualizadas de bioinformática. El avance tecnológico es un requisito para
la secuenciación de metagenomas ya que los secuenciadores que se venían
utilizando, incluso con el proyecto Genoma Humano, no
resultan totalmente poderosos para secuenciar metagenomas en corto tiempo.
Cómo se
trabaja en metagenómica
La metagenómica
incluye una amplia variedad de técnicas y estrategias de trabajo. La mayoría de
estos estudios constan de algunos primeros pasos comunes:
- Los investigadores obtienen una muestra de un ambiente
particular (suelo, agua de mar, la boca de un ser humano, etc.) y se realiza
una extracción de ADN de todos los
microbios presentes en la muestra . También es posible
extraer proteínas o ARN de las muestras. La mayoría de los proyectos de metagenómica
se enfocan en los microbios que tienen pequeñas cantidades de ADN, como
bacterias o Arqueas (identificadas como una división mayor de organismos en
1977; pueden vivir en ambientes extremos.
- Una vez que el ADN
es extraído se lo secuencia para estudios comparativos o para búsquedas de
genes en particular. Se induce una replicación de ADN del microorganismo para
crear una “Biblioteca” la cual contiene porciones de genomas de todos los
microorganismos de una muestra. Actualmente, las técnicas más nuevas permiten
secuenciar directamente el ADN de una muestra, y evita la necesidad de crear
una biblioteca, es decir que no contiene “volúmenes” (genomas) separados de
cada especie, sino que consiste en una mezcla de millones de fragmentos de ADN
al azar de todos los microorganismos muestreados de una comunidad.
- Luego, el tratamiento de la biblioteca de genomas
(metagenoma), depende del objetivo de búsqueda (ver gráfico 1). En proyectos de
metagenómica basado en secuencias, los investigadores se focalizan en encontrar
la secuencia genética completa -el patrón de bases nitrogenadas (A, C, G, T) en
las cadenas de ADN – de los microorganismos descubiertos en la muestra. La
secuencia puede entonces ser analizada de diferentes formas. Por ejemplo, los
investigadores pueden usar la secuencia de una comunidad para determinar el
genoma completo de especies microbianas individuales.
Aplicaciones
y proyectos de metagenómica en marcha
La metagenómica
tiene un enorme potencial, y día a día se constituye en una herramienta
estratégica en distintas áreas de la medicina, ciencias de la vida y de la
Tierra. Existen diversos proyectos de este tipo, con objetivos y alcances
diferentes.
Desde un punto
de vista biotecnológico, se han podido obtener enzimas y metabolitos con
propiedades novedosas de interés industrial. También diversas empresas
farmacéuticas están adoptando esta metodología para obtener nuevos
antibióticos. Otro punto que determina la utilidad de la metagenómica es la
capacidad de ensamblado e interpretación de la información obtenida de los
metagenomas. Esto constituye el mayor desafío de la bioinformática en el diseño
de nuevas estrategias para lidiar con una mezcla de genomas resultantes de
cientos de microorganismos presentes en una muestra tomada de algún ambiente. Podría
ayudar a la detección y tratamiento de las enfermedades buco dentales
Un proyecto
basado en “metagenómica” podría ayudar a la detección y tratamiento de las
enfermedades buco dentales, a través del análisis de las complejas comunidades
bacterianas de la cavidad bucal. El proyecto está siendo realizado por
científicos del Instituto de Investigación Genómica (TIGR) y de la Universidad
de Stanford, y está subsidiado por el Instituto Nacional de Investigación
Dental y Craneofacial (NIDCR), que forma parte de los Institutos Nacionales de
Salud (NIH) de los Estados Unidos. En los últimos años, los nuevos métodos de
detección revelaron que existen más de 400 especies de bacterias en la cavidad
oral. Sin embargo, apenas 150 de estas especies han sido identificadas y
cultivadas en el laboratorio. Con la nueva estrategia, se podrán identificar
fragmentos del material genético (ADN) de todos los microbios, incluyendo los
hasta ahora desconocidos. La idea es comparar, por ejemplo, la diversidad
microbiana que tiene una persona sana en su boca y compararla con la de una
persona que sufre enfermedad periodontal (infección crónica de las encías).
Además, los investigadores podrán analizar qué genes se activan o se inactivan
cuando la enfermedad está presente. Las muestras están siendo colectadas a
partir de diferentes sitios de la boca de diferentes personas, por el
laboratorio de Gary Armitage de la Universidad de California en San Francisco.
Se espera que el análisis revele la existencia de miles de genes y grandes
fragmentos de ADN (hasta genomas enteros) de bacterias desconocidas hasta el
momento. Usando las técnicas de “microarrays” o micromatrices (ver cuaderno n°
114), los científicos podrán examinar los patrones de expresión génica de las
comunidades bacterianas.
Por otra parte,
la metagenómica augura una aplicación valiosa en la mejora del tratamiento de
las aguas residuales, uno de los procesos biotecnológicos mediado por microbios
más importante del planeta. Investigadores del Instituto de Genómica DOE JGI
del Departamento de Energía de Estados Unidos, junto con otros de la
Universidad de Wisconsin-Madison, y de la Universidad de Queensland, Australia,
publicaron el primer estudio metagenómico de un proceso de tratamiento de aguas
residuales, mediante el cual se intenta generar secuencias de ADN directamente
de las muestras de aguas residuales, con el objetivo de tener un “mapa” de los
genes que hay presentes en el proceso. La presencia de estos genes se relaciona
con las posibles vías metabólicas que ocurren en ese ambiente particular, y
esto ayudará a entender cómo funciona el sistema y así poder revertir o
corregir fallas y accidentes en el tratamiento de aguas. Este es el primer paso
de una estrategia más amplia que estudia a las comunidades microbianas con el
objetivo de establecer modelos predictivos que sirvan para entender cómo
funcionan estas comunidades. Como ejemplo, han logrado secuenciar los genes de
la bacteria Accumulibacter phosphatis, clave en la remoción del exceso de
fósforo de las aguas residuales, sin la necesidad de tenerlo como cultivo puro.
Esta bacteria juega un papel vital en este proceso, ya que puede acumular
enormes cantidades de fósforo. La secuencia de su genoma también permitirá entender
cómo y por qué estos organismos acumulan fósforo, y ayudará a optimizar el
proceso de remoción del exceso de fósforo de las aguas residuales.
Un nuevo
proyecto de metagenómica del Centro de Secuenciación en la Escuela de Medicina
Baylor, en Houston, se propone secuenciar el genoma de todos los microbios
residentes en el cuerpo humano, sin la necesidad de aislarlos y cultivarlos in
vitro. Comparando las comunidades microbianas en personas de diferentes edades,
orígenes, y condiciones de salud, los investigadores esperan encontrar la
manera de prevenir o tratar las enfermedades.
VIDEO SOBRE LA METAGENÓMICA
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