Microbioma

Metagenómica en investigación de microbioma

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¿Microbios y el microbioma?

Cuando se desveló por primera vez la existencia de los microbios gracias a los avances en la microscopia, en el siglo XVIII, era difícil imaginarse el alcance de su omnipresencia en este planeta y fuera de él. Sin ninguna exageración, se puede decir con facilidad que los microbios dominan el mundo (1). Pueden encontrarse en todas partes, incluidos los entornos más duros e inhóspitos. Se ha descubierto que los microbios están implicados en la regulación tanto de los entornos físicos como de las biosferas orgánicas. Como cabe esperar, los microbios han formado multitud de relaciones —algunas beneficiosas, algunas perjudiciales— con organismos multicelulares y monocelulares por igual, incluidos los humanos. La importancia de los microbios para la salud y la enfermedad de los humanos ha quedado demostrada con creces en las últimas décadas (1).

Los microbios dominan el mundo.

La complejidad de estas relaciones es quizá el obstáculo más grande para comprender los microbios. Gran parte de nuestro conocimiento en el campo de la microbiología surge de los estudios que utilizan cultivos puros, aislando y cultivando una cepa pura de un microbio dentro de un entorno controlado. Sin embargo, no todos los microbios pueden cultivarse en cultivos y el cultivo artificial puro priva a los microbios de las interacciones con otras especies se las que se han dictado sus características, comportamiento y ruta evolutiva. Esto significa que los genotipos y los fenotipos de los microbios en las placas de petri son, muy probablemente, diferentes de los que se encuentran en la naturaleza (1).

¿Qué es la metagenómica?

En general, la metagenómica, también conocida como genómica comunitaria, es el análisis genético de comunidades microbianas contenidas en entornos naturales vivos. Desde la perspectiva de la microbiología, la metagenómica estudia los microbios que no pueden cultivarse. Esta alternativa a la homogeneidad genética del cultivo puro aporta a los científicos la capacidad de capturar mejor la extraordinaria diversidad presente en las comunidades microbiana. Estudiar las diversas comunidades microbianas, a su vez, presenta a la comunidad científica con una mejor comprensión tanto de nuestra propia fisiología como de los sistemas del mundo en que vivimos (1).

Métodos para estudiar el microbioma

La secuenciación indiscriminada ofrece la capacidad de estudiar simultáneamente los microbios no bacterianos (por ejemplo, hongos y virus) junto a las bacterias (2), pero requiere mucho más trabajo de secuenciación. De forma alternativa, la secuenciación de 16S puede centrarse exclusivamente en un solo gen. En particular, la secuenciación de 16S es útil para las investigaciones de taxonomía y filogenia bacteriana (2). La metatranscriptómica, como la investigación del ARN mensajero (ARNm) de metagenómica, es extremadamente útil para estudiar cómo las diferencias desveladas por los estudios de metagenómica afectan a la regulación y a la expresión genética.

Limitaciones de los métodos actuales

Aunque esto suena muy prometedor, la metatranscriptómica puede verse limitada por obstáculos técnicos, como la corta vida media del ARNm. Conforme ha progresado la tecnología de NGS, se han desarrollado diversas técnicas y se han adaptado posteriormente a los enfoques de la metagenómica. Durante las etapas nacientes de la metagenómica microbiana, se realizaron muchos estudios con técnicas de lectura media (~800 bp) como la pirosecuenciación (mediante la plataforma Roche^® 454, por ejemplo) (4). Con el paso del tiempo, las técnicas de lectura más corta (por ejemplo, secuenciación Illumina^®) ofrecieron una alternativa más económica y productiva.

Sin embargo, la secuenciación de lectura corta tiene sus propios problemas con ciertos sesgos y obstáculos técnicos. Más recientemente, los avances tecnológicos han facilitado un movimiento hacia la secuenciación de lectura larga, con técnicas (por ejemplo, secuenciación SMRT y secuenciación de nanosfera) que ahora son capaces de generar lecturas de decenas de kilobases de longitud. Aunque son más propensas a errores, estas lecturas más largas han demostrado ser ventajosas para agrupar genomas cerrados, siempre que la profundidad de la secuenciación sea lo suficiente alta como para permitir la corrección de errores (5). Sin embargo, debido a la escasez de los datos de la información genética generada en comparación con la secuenciación Illumina y la necesidad de grandes cantidades de muestras de ADN sin procesar, estas técnicas quizá sean más adecuadas para la secuenciación de todo el genoma y aplicaciones similares en el presente (6).

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Más información

Referencias:

National Research Council (US) Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications. The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington (DC): National Academies Press (US); 2007.
Jovel, J. et al. (2016) Characterization of the gut microbiome using 16S or shotgun metagenomics. Front Microbiol. 7, 459.
Janda, J. M. and Abbott, S. L. (2007) 16s rRNA gene sequencing for bacterial identification in the diagnostic laboratory: pluses, perils, and pitfalls. Clin. Microbiol. 45(9), 2761–2764.
Bragg, L. and Tyson, G. W. (2014) Metagenomics using next-generation sequencing. Environ. Microbiol. 1096, 183–201.
Koren, S. and Phillippy, A. M. (2015) One chromosome, one contig: complete microbial genomes from long-read sequencing and assembly. Curr. Opin. Microbiol. 23, 110–120.
Driscoll, C. B. et al. (2017) Towards long-read metagenomics: complete assembly of three novel genomes from bacteria dependent on a diazotrophic cyanobacterium in a freshwater lake co-culture. Stand. Genomic. Sci. 12, 9.