11.13: Metagenómica

Todos los genomas enumerados en mi página Tamaños del genoma describen el genoma completo de una sola especie. Para bacterias y arqueones, esto significa que el organismo se cultivó en cultivo puro para proporcionar el ADN para la secuenciación. Pero ahora está claro que el mundo microbiano contiene un vasto número de ambos grupos que nunca se han cultivado en el laboratorio y así han escapado al estudio. El suelo, el agua y el contenido de nuestro intestino grueso son ejemplos de hábitats que están plagados de microorganismos desconocidos.

Gracias al reciente desarrollo de máquinas de secuenciación capaces de secuenciar de manera rápida (y económica) enormes cantidades de ADN, ahora es práctico secuenciar el ADN extraído de ecosistemas microbianos complejos como el que se encuentra en una muestra de suelo. Se utilizan varios enfoques diferentes, pero todos dependen de un primer paso para extraer el ADN microbiano de la muestra (y separarlo del ADN mucho más complejo de cualquier eucariota que pueda estar presente).

Evaluación de la diversidad microbiana

El ADN que codifica la subunidad pequeña (16S) de los ribosomas tanto de bacterias como de arqueones contiene algunas regiones altamente conservadas; es decir, regiones de secuencia idéntica o casi idéntica. Usando cebadores que se dirigen a estas regiones, se puede producir entonces suficiente material mediante la PCR de reacción en cadena de la polimerasa para secuenciar todo el gen de ARNr 16S.

Al comparar las diversas secuencias con una base de datos de secuencias de organismos conocidos, se puede estimar cuántos tipos diferentes de microbios están presentes. Debido a la sustancial diversidad genética que se encuentra entre “cepas” de una sola especie (por ejemplo, E. coli K-12 y E. coli O157:H7), secuencias de ADNr 16S estrechamente relacionadas (> 97% de identidad) se asignan a un solo "filotipo" porque no podemos estar seguros de si pertenecen a especies separadas o a dos cepas de la misma especie. En cualquier caso, la colección de secuencias de ADNr 16S se puede organizar para formar un árbol filogenético para mostrar los patrones de relación.

Catalogación de los genes en un ecosistema microbiano

Analizar los genes 16S ADNr en una muestra nos dice quién está ahí, pero, por supuesto, no es un genoma completo y no nos dice nada sobre los otros genes presentes en los diversos miembros de la población. Esta información se puede obtener mediante secuenciación “escopeta” de la muestra de ADN ambiental.

Los pasos:

• Romper el ADN en fragmentos cortos.
• Insertarlos en un vector, por ejemplo un plásmido capaz de crecer en E. coli K-12.
• Exponer las células de E. coli a esta mezcla aleatoria y hacer crecer las células bacterianas individuales en colonias.
• El resultado: una biblioteca que contiene millones de fragmentos de ADN aleatorios de la muestra original.
• Aísle los plásmidos y secuenciarlos. Las “lecturas” de secuencia promedian alrededor de 100 nucleótidos, mucho más cortas que un gen, pero con frecuencia suficiente para pasar al siguiente paso.
• Usa una poderosa computadora para intentar ensamblar los fragmentos en una secuencia lineal de ADN. La computadora busca tramos idénticos de nucleótidos en diferentes fragmentos y utiliza el solapamiento para ensamblarlos en un "contig”.

• Busque (busque la computadora) para marcos de lectura abiertos (ORF) de genes que codifican proteínas.
• Compara los ORF con los de microbios conocidos que ya están en bases de datos para ver si se puede deducir una función.

La gran diversidad de organismos en la mayoría de los ecosistemas microbianos hace que sea prácticamente imposible encontrar suficientes cóntigos para ensamblar un genoma completo para cualquier organismo como los enumerados en Tamaños del genoma. Lo que obtienes en cambio es una ventana a los muchos tipos de genes presentes en un habitante u otro de ese ecosistema. Por ejemplo, puede descubrir genes que codifican proteínas capaces de degradar contaminantes ambientales o genes capaces de sintetizar un nuevo antibiótico.

Encontrar nuevas funciones en poblaciones microbianas

Otra forma de explotar la metagenómica es buscar nuevas funciones en el huésped (e.j. E. coli) si puede expresar el nuevo gen con el que se transformó. Por ejemplo, el cribado de la biblioteca de clones de E. coli para detectar la capacidad de resistir a un antibiótico puede revelar genes involucrados en la resistencia a los antibióticos, un desarrollo preocupante en los últimos años.

Algunas aplicaciones de la metagenómica

El Mar de los Sargazos

El análisis metagenómico del ADN extraído del agua de mar en el mar de los Sargazos reveló la presencia de más de mil genes de ADNr 16S diferentes (y por lo tanto aproximadamente ese número de especies diferentes) y más de un millón de genes que codifican proteínas.

El colon humano

0.3 g de muestras fecales de dos humanos sanos produjeron 78 millones de pares de bases de secuencia. Cada sujeto produjo unos 25 mil marcos abiertos de lectura (ORF) de los cuales aproximadamente la mitad podrían reconocerse como genes bacterianos o arqueales ya conocidos. Se incluyeron genes que codifican enzimas para la síntesis de vitaminas (por ejemplo, vitamina B ₁), aminoácidos y enzimas para la digestión de polisacáridos complejos en nuestra dieta que de otro modo serían indigeribles. Quizás tanto como el 10% de la energía que extraemos de nuestros alimentos se pone a nuestra disposición por la actividad de estos microorganismos.

Drenaje ácido de minas

El análisis metagenómico del agua ácida (pH ~0.5) que fluye de una mina metálica abandonada en California reveló un ecosistema mucho más simple que los descritos anteriormente: solo 3 especies de bacterias y 2 de arqueas. Con una diversidad tan limitada, fue posible ensamblar genomas casi completos para dos de estos organismos.

Una mina de oro sudafricana

Más sencillo aún fue el ecosistema que se encuentra en el agua 2.8 km (1.7 millas) abajo en una mina de oro. Solo se presentó un organismo: una bacteria autótrofa capaz de extraer energía de sustancias inorgánicas en su entorno y sintetizar a partir de ellas todas las moléculas necesarias para su vida.