Metagenômica

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A metagenômica é a análise genômica da comunidade de microrganismos de um determinado ambiente por técnicas independentes de cultivo[1]. Essa abordagem consiste na extração de DNA diretamente do ambiente e construção de uma biblioteca metagenômica com este genoma misto. Essa estratégia permite o acesso a genes de bactérias incultiváveis de inúmeros ambientes.

Através de técnicas de cultivo puro, os microrganismos podem ser estudados individualmente. Entretanto essa abordagem limita a avaliação taxonômica, filogenética e a estimativa da diversidade microbiana da biosfera, porque apenas uma pequena parcela dos microrganismos, em torno de 1%, são cultiváveis em laboratório pelas técnicas padrões de cultivo.[2] Com a metagenômica foi possível realizar análises de comunidades microbianas de ambiente por técnicas independentes de cultivo [3].

Devido ao vasto domínio do campo, esta área de estudo também pode ser referenciada como genômica ambiental, ecogenômica ou genômica de comunidade. Enquanto a microbiologia tradicional, a genômica e o sequenciamento do genoma microbiano dependem de culturas clonais, a metagenômica usa o sequenciamento de regiões gênicas conservadas (muitas vezes o gene 16S rRNA) para possibilitar a identificação dos gêneros em uma amostra natural. Esse trabalho revelou que parte da biodiversidade microbiana é perdida quando métodos de cultivo são usados.[4] Estudos recentes utilizam o seqüenciamento Sanger ou em paralelo o pirosequenciamento para obter informações imparciais de todos os genes, de todos os organismos da comunidade amostrada.[5] Devido à capacidade de revelar a diversidade de vida microscópica anteriormente oculta, a metagenômica oferece uma poderosa lente para enxergar o potencial que o mundo microbiano oferece.[6][7]

A técnica de metagenômica foi citada primeiramente em 1998, tratando-se da recuperação de genomas de bactérias cultiváveis e não cultiváveis, a partir de amostras de solo [8]. O método envolvia a extração do DNA total das amostras seguida da clonagem em cromossomo artificial de bactéria e sequenciamento. A partir dessa abordagem, os projetos em metagenômica tiveram como objetivo a montagem de genomas completos de bactérias não cultiváveis [9]. As análises de metagenômica proporcionam uma compreensão da diversidade microbiana sem a necessidade de cultivos, além de ampliar o conhecimento da diversidade genética, organizações de populações e papeis e/ou funções ecológicas dos microrganismos [10].

Atualmente, através das análises de metagenômica é possível capturar e identificar desde um microrganismo até mesmo um microbioma, sem a necessidade de cultura, clonagem e conhecimento prévio de sua identidade taxonômica/composição. A metagenômica pode ser aplicada em diferentes tipos amostras: de solo, água, intestino de humanos entre outras, tornando possível, as análises de amostras complexas, compostas por diferentes ácidos nucleicos, sendo capaz, inclusive, de recuperar genomas completos de organismos desconhecidos [11][12].

O acerelado crescimento dos estudos de metagenômica de forma quantitativa e qualitativa, só foi possível devido a capacidade da produção densa de dados de forma rápida e sensível dos sequenciadores com alto desempenho e de última geração (Higt Throughput Sequencing-HTS) [13]. Com o progresso e amplitude das tecnologias de sequenciamentos, questões biológicas que eram incompreensíveis, agora com a contribuição da metagenômica estão sendo esclarecidas [14]. Os sequenciamentos realizados com a tecnologia de HTS geram terabytes de dados e informações que precisam ser armazenados, processados e analisados, o que é um grande desafio para os profissionais de bioinformática. Por outro lado, o desenvolvimento de software de bioinformática está evoluindo rapidamente, o que torna viável a produção de grandes volumes de dados e consequentemente, possibilita a exploração dessas informações genômicas por uma ampla gama de pesquisadores [15].

A metodologia e análises de bioinformática a serem aplicadas são específicas para diferentes situações, o que faz necessário o conhecimento prévio do cenário a ser estudado, quando aplicado a abordagem de metagenômica para uma questão biológica. Geralmente, uma análise de metagenômica entende três etapas principais: processamento das amostras biológicas; sequenciamento em uma plataforma de alto desempenho; e análises dos dados. Integrar as três etapas é de extrema importância para entendimento, interpretação e sucesso da análise.

Referências

  1. Pace, Norman R. (2 de maio de 1997). «A Molecular View of Microbial Diversity and the Biosphere». Science (5313): 734–740. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.276.5313.734. Consultado em 28 de abril de 2021 
  2. Amann, R I; Ludwig, W; Schleifer, K H (1995). «Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation.». Microbiological reviews (1): 143–169. ISSN 0146-0749. doi:10.1128/mr.59.1.143-169.1995. Consultado em 1 de maio de 2021 
  3. Cowan, Don; Meyer, Quinton; Stafford, William; Muyanga, Samson; Cameron, Rory; Wittwer, Pia (junho de 2005). «Metagenomic gene discovery: past, present and future». Trends in Biotechnology (6): 321–329. ISSN 0167-7799. doi:10.1016/j.tibtech.2005.04.001. Consultado em 1 de maio de 2021 
  4. Hugenholz, P; Goebel, B.M.; Pace, N.R (1998). «Impact of Culture-Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity». Journal of Bacteriology. 180 (18): 4765–74. PMC 107498Acessível livremente. PMID 9733676 
  5. Eisen, J.A (2007). «Environmental Shotgun Sequencing: Its Potential and Challenges for Studying the Hidden World of Microbes». PLoS Biology. 5 (3): e82. PMC 1821061Acessível livremente. PMID 17355177. doi:10.1371/journal.pbio.0050082 
  6. Marco, D, ed. (2010). Metagenomics: Theory, Methods and Applications. [S.l.]: Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-54-7 
  7. Marco, D, ed. (2011). Metagenomics: Current Innovations and Future Trends. [S.l.]: Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-87-5 
  8. Makar, A. B.; McMartin, K. E.; Palese, M.; Tephly, T. R. (1975). «Formate assay in body fluids: application in methanol poisoning». Biochemical Medicine. 13 (2): 117–126. ISSN 0006-2944. PMID 1. doi:10.1016/0006-2944(75)90147-7 
  9. Bose, K. S.; Sarma, R. H. (27 de outubro de 1975). «Delineation of the intimate details of the backbone conformation of pyridine nucleotide coenzymes in aqueous solution». Biochemical and Biophysical Research Communications. 66 (4): 1173–1179. ISSN 1090-2104. PMID 2. doi:10.1016/0006-291x(75)90482-9 
  10. Smith, R. J.; Bryant, R. G. (27 de outubro de 1975). «Metal substitutions incarbonic anhydrase: a halide ion probe study». Biochemical and Biophysical Research Communications. 66 (4): 1281–1286. ISSN 0006-291X. PMID 3. doi:10.1016/0006-291x(75)90498-2 
  11. Frey, Kenneth G; Herrera-Galeano, Jesus; Redden, Cassie L; Luu, Truong V; Servetas, Stephanie L; Mateczun, Alfred J; Mokashi, Vishwesh P; Bishop-Lilly, Kimberly A (2014). «Comparison of three next-generation sequencing platforms for metagenomic sequencing and identification of pathogens in blood». BMC Genomics. 15 (1). 96 páginas. ISSN 1471-2164. doi:10.1186/1471-2164-15-96 
  12. Hendrickson, W. A.; Ward, K. B. (27 de outubro de 1975). «Atomic models for the polypeptide backbones of myohemerythrin and hemerythrin». Biochemical and Biophysical Research Communications. 66 (4): 1349–1356. ISSN 1090-2104. PMID 5. doi:10.1016/0006-291x(75)90508-2 
  13. Chow, Y. W.; Pietranico, R.; Mukerji, A. (27 de outubro de 1975). «Studies of oxygen binding energy to hemoglobin molecule». Biochemical and Biophysical Research Communications. 66 (4): 1424–1431. ISSN 0006-291X. PMID 6. doi:10.1016/0006-291x(75)90518-5 
  14. Anderson, T. R.; Slotkin, T. A. (15 de agosto de 1975). «Maturation of the adrenal medulla--IV. Effects of morphine». Biochemical Pharmacology. 24 (16): 1469–1474. ISSN 1873-2968. PMID 7. doi:10.1016/0006-2952(75)90020-9 
  15. Sharpton, Thomas J. (16 de junho de 2014). «An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data». Frontiers in Plant Science. 5. ISSN 1664-462X. doi:10.3389/fpls.2014.00209