Метагеноміка

Метагеноміка (екологічна геноміка, метагеномний аналіз) — галузь генетики та мікробіології, що вивчає генетичний матеріал спільнот мікроорганізмів, отриманий безпосередньо зі зразків навколишнього середовища, таких як ґрунт, вода чи мікробіом тіла людини.^[1]

Метагеномні підходи в мікробній екології^[en]

Метагеномний аналіз, зазвичай, використовується для дослідження спільнот прокаріот, інколи вірусів^[2], рідше еукаріот. Використовуючи передові технології секвенування та обчислювальні методи, метагеноміка розкриває повну картину колективної генетичної інформації, присутньої в мікробній спільноті, відомої як метагеном.

Значення метагеноміки поширюється на різні дисципліни, включаючи екологію^[3][4][5], біотехнологію^[6], медицину^[1][7], агрономію^[8][9] і науку про навколишнє середовище^{[10][11][12][13]}. Метагеноміка дозволяє дослідникам відкривати нові гени, відкривати нові мікробні види, розуміти взаємодію спільноти, вивчати функції екосистеми та досліджувати роль мікробів у здоров’ї та хворобах людини, тварин та здоров'ї екосистем.

Крім того, метагеноміка розширила можливості для дослідження мікробних спільнот у різноманітних середовищах, проливаючи світло на їх фундаментальну роль у кругообігу поживних речовин, біоремедіації та підтримці екологічного балансу. У медицині це полегшило ідентифікацію мікробних біомаркерів, пов’язаних із захворюваннями, проклавши шлях для нових діагностичних інструментів, методів лікування та глибшого розуміння впливу людського мікробіому та, зокрема, мікробіоти кишки на здоров’я.

Історія

• Norman R. Pace — ПЛР вивчення різноманітності 16S рДНК бактерій в пробах навколишнього середовища.
• 1985 р. Norman R. Pace — Ідея прямого клонування ДНК з природного середовища.
• 1991 р. Norman R. Pace — Перший аналіз 16S рДНК угрупування морського пікопланктону шляхом клонування у фаговий вектор і секвенування.
• 1995 р. Healy, F. G — Виділення функціонально активних генів з сконструйованої метагеномної бібліотеки.
• 1996 р. E. F. DeLong — Започаткування створення метагеномних бібліотек 16S рДНК морських прокаріотів.
• 1998 р. Jo Handelsman — Перші успішні конструювання бібліотек з ґрунтової ДНК. Впровадження терміну «метагеноміка».

Принципи

Відбір і підготовка зразків

• Неізольовані зразки: на відміну від традиційних методів, які зосереджені на ізольованих культурах, метагеноміка передбачає збір генетичного матеріалу безпосередньо зі складних зразків навколишнього середовища, таких як ґрунт, вода або мікробіоми.
• Методи збереження: Належні методи збереження мають вирішальне значення для збереження цілісності генетичного матеріалу під час відбору зразків і транспортування.

Екстракція та секвенування ДНК

• Неупереджене виділення ДНК: Метою методів є виділення ДНК із різноманітних мікроорганізмів у зразку без упередження щодо конкретних видів чи типів.
• Технології секвенування: використання передових платформ секвенування (наприклад, секвенування наступного покоління^[en]) для аналізу генетичного матеріалу зі зразків, що дозволяє одночасно охарактеризувати всі геноми в спільноті.

Біоінформатика та аналіз даних

• Збірка та анотація: обчислювальні інструменти використовуються для збірки та анотації^[en] отриманих генетичних послідовностей, реконструкції окремих геномів зі складних сумішей.
• Таксономічне та функціональне профілювання: присвоєння таксономічної ідентичності та ідентифікація функціональних генів у наборі метагеномних даних за допомогою біоінформаційних алгоритмів^[14][15].

Порівняльний аналіз та інтерпретація

• Порівняння наборів даних: порівняння наборів метагеномних даних у різних зразках або середовищах для виявлення подібностей, відмінностей і закономірностей у мікробних спільнотах.
• Екологічні та функціональні ідеї: отримання уявлень про екологію, функції та взаємодію мікробних спільнот у різноманітних середовищах.

Використання та інтеграція бази даних

• Довідкові бази даних: використання існуючих баз даних^{[15][16][17][18]} і еталонних геномів для допомоги в ідентифікації та анотації послідовностей у метагеномних даних.
• Інтеграція багатьох джерел даних: включення інших даних -омік (метатранскриптоміка^[19][20][21], метапротеоміка^[22][23] тощо), щоб отримати більш повне розуміння мікробної спільноти та її діяльності.^{[24][25][26][27]}

Експериментальна перевірка та подальші дослідження

• Експериментальне підтвердження: Проведення подальших досліджень, включаючи культивування конкретних організмів або цілеспрямовані експерименти, для підтвердження результатів і розуміння функціональної ролі ідентифікованих генів або мікробних популяцій.
• Поздовжні дослідження: Проведення поздовжніх досліджень для моніторингу змін у мікробних спільнотах з часом або у відповідь на фактори навколишнього середовища, стан здоров’я людини тощо.^[28][29][30]

Застосування

Екологічні дослідження

• Мікробне різноманіття: характеристика мікробних спільнот у різних середовищах (ґрунт^{[8][9][31][32][33][34]}, прісні води^[35], океани, стічні води^[36], екстремальні середовища^[37][38][39]) для розуміння біорізноманіття та динаміки екосистем.^[36][40]
• Біогеохімічний цикл: вивчення ролі мікробів у кругообігу поживних речовин, поглинанні вуглецю та деградації забруднюючих речовин (біоремедіація).^[41][42][35]

Здоров'я людини та медицина

• Дослідження мікробіома людини: вивчення складу та функції мікробних спільнот в організмі людини (кишечник, шкіра, ротова порожнина) та їх вплив на здоров’я та захворювання.^{[1][43][44][45][46]}
• Біомаркери захворювань: ідентифікація мікробних сигнатур, пов’язаних із захворюваннями (наприклад, запальним захворюванням кишечника, ожирінням) для діагностичних і терапевтичних цілей.^{[47][48][49][50][7]}

Сільське господарство, агрономія та харчова промисловість

• Взаємодія рослин і мікробів: вивчення мікробних спільнот у ґрунті та коренях рослин для підвищення продуктивності сільського господарства, стійкості до хвороб і поглинання поживних речовин.^{[51][52][53][54][55]}
• Безпека та якість харчових продуктів: Оцінка мікробних спільнот у виробництві та переробці харчових продуктів для покращення заходів безпеки та контролю якості.^[56][57]

Біотехнологія, біофармакологія та розробка ліків

• Ідентифікація нових ферментів: виявлення ферментів і біологічно активних сполук із різних мікробних спільнот для промислового застосування (біокаталіз).^[6][58][59]
• Спостереження за резистентністю до антибіотиків: моніторинг і розуміння поширення та механізмів стійкості до антибіотиків у мікробних популяціях.^[60][61][13]

Охорона навколишнього середовища та біоремедіація

• Біологічний розпад забруднювачів: визначення мікробних спільнот, здатних розкладати забруднювачі навколишнього середовища та розробка стратегій біоремедіації.^[62][63][64] (див. також Біологічний окислювач)
• Відновлення екосистем: Оцінка мікробного різноманіття для відновлення та збереження екосистем у забруднених або порушених середовищах.^[12][65]

Біоенергетика та відновлювані ресурси

• Виробництво біопалива: вивчення мікробних спільнот для розробки біопалива в біоенергетиці та циркулярній біоекономіці.^[66][67][68] (див. також Мікробні паливні елементи^[69][70])
• Переробка відходів: використання мікробних спільнот у процесах поводження з відходами та обробки для ефективного розкладання, наприклад, пластику^[71][72], стічних вод^[73][74], та всіх інших відходів.^{[75][76][77][78][79]}

Еволюційні та екологічні дослідження

• Еволюційні зв'язки: розуміння еволюційних зв'язків між мікроорганізмами та їх адаптації до мінливого середовища.^[80][81][82]
• Екологічні взаємодії: Дослідження взаємодії мікробів та їхньої ролі у формуванні екосистем і динаміки спільноти.^[83][84][85]

Охорона здоров'я та епідеміологія

• Спостереження за патогенами: моніторинг і відстеження наявності та поширення патогенів у навколишньому середовищі та клінічних умовах для цілей епідеміології та охорони здоров’я.^[86][87]

Біомедичні дослідження

• Фармакогеноміка: Виявлення мікробних факторів, що впливають на метаболізм ліків та ефективність для персоналізованих підходів до медицини.^[88][89][90]
• Мікробна терапія^[91]: розробка мікробної терапії (пребіотики, пробіотики, трансплантація фекальної мікробіоти^[92][93][94]) для різних захворювань.^[95][96][97]

Астробіологія та дослідження космосу

• Екстремальні середовища: вивчення екстремофілів і мікробного життя в екстремальних середовищах на Землі як аналогів потенційного позаземного життя.^[37][38][39]
• Дослідження космосу: астробіологіна (астро-мікробіологічна^[en][98]) оцінка мікробного різноманіття та потенційних ризиків для здоров’я екіпажу в космічних кораблях.^{[99][100][101][102][103][104][105]}

Методи

Традиційний метод

Секвенування за Сенгером найпоширеніший спосіб в наш час.

Вектори що використовуються для метагеномного аналізу:

• Штучні бактеріальні хромосоми (англ. bacterial artificial chromosome, BAC)
• Фазміди
• Невеликі вектори (shotgun сіквенс)

Нові методи

Нові методи секвенування, є дуже перспективними, вони швидко поширюються. Для них характерним є висока швидкість зчитування послідовності ДНК, і відсутність векторів.

• Піросеквенування по Ротбергу (454)
• Полоні-секвенування

Функціональна метагеноміка

метод метагеномного аналізу, який базується на визначенні клонів, що експресуються. Принцип функціонального якоря дозволяє ідентифікувати гени чию функцію неможливо визначити на основі послідовності ДНК

• Ідентифікація клонів, що проявляють відомі функції
• Характеристика генів відповідальних за функції
• Секвенування активних клонів і визначення філогенетичного функціонального і геномного контексту для функціональних генів

Див. також

• Геноміка
• Мікробіом
• Флора кишки
• Мультиоміка
• Оміксні технології

Додаткова література

Книги

• N. Hozzein, Wael, ред. (25 березня 2020). Metagenomics - Basics, Methods and Applications (англ., відкритий доступ по главам). IntechOpen. ISBN 978-1-83880-055-0.
• Streit, Wolfgang R.; Daniel, Rolf, ред. (2017). Metagenomics: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology (англ.) 1539. Springer New York. ISBN 978-1-4939-6689-9.

Журнали

Деякі з наукових журналів, що висвітлюють дослідження метагеноміки:

• Microbiome (BioMed Central)
• Environmental Microbiology (Wiley-Blackwell)
• Applied and Environmental Microbiology (American Society for Microbiology)
• Environmental Microbiology Reports (Wiley-Blackwell)
• Environmental Microbiomes (BioMed Central)
• The ISME Journal (Nature Portfolio)
• mSystems (American Society for Microbiology)
• Genome Biology (BioMed Central)
• Frontiers in Microbiology (Frontiers Media)
• PLoS Computational Biology (Public Library of Science)
• BMC Genomics (BioMed Central)

Статті

• Підбірка статей Metagenomics (Nature Portfolio)
• Pavlopoulos, Georgios A.; Baltoumas, Fotis A.; Liu, Sirui та ін. (2023-10). Unraveling the functional dark matter through global metagenomics. Nature (англ.) 622 (7983). с. 594–602. doi:10.1038/s41586-023-06583-7.
• Chiu Charles Y.; Miller Steven A. (2019-06). Clinical metagenomics. Nature Reviews Genetics (англ.) 20 (6). с. 341–355. doi:10.1038/s41576-019-0113-7.
• Florian P Breitwieser, Jennifer Lu, Steven L Salzberg. (2019). A review of methods and databases for metagenomic classification and assembly. Briefing in Bioinformatics. doi:10.1093/bib/bbx120.