Comprender las comunidades microbianas
La investigación sobre el microbioma nos ayuda a comprender mejor cómo las bacterias, los hongos, las arqueas y los virus afectan a nuestras vidas y nuestro entorno. En el pasado, la investigación sobre el microbioma se limitaba a nuestra capacidad para cultivar microbios con el fin de caracterizar nuestro mundo microbiano.
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 dictaron sus características, comportamientos y rutas evolutivas. 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).
Con los métodos de secuenciación microbiana de última generación (NGS), podemos obtener información genética fundamental sobre los microbios que viven dentro, sobre y alrededor de nosotros.
¿Qué es la metagenómica o la secuenciación metagenómica?
La metagenómica, o genómica comunitaria, es el análisis genético de comunidades microbianas contenidas en sus entornos naturales vivos sin aislar ni cultivar especies individuales. Proporciona una visión completa de las interacciones bioquímicas y metabólicas dentro de estas comunidades.
La metagenómica también puede ayudar a identificar especies individuales dentro de hábitats microbianos sin necesidad de aislamiento previo. También puede revelar los mecanismos de adaptación de los microorganismos bajo estrés ambiental y sus interacciones dentro de las comunidades y con otros componentes de su entorno.
Metagenómica para investigación del microbioma
Actualmente, existen tres métodos populares de secuenciación metagenómica. La secuenciación genómica completa 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 presupuesto de secuenciación. De forma alternativa, la secuenciación de 16S/18S/ITS puede centrarse exclusivamente en regiones específicas. Es útil para investigaciones sobre filogenia y taxonomía bacteriana(3). La metatranscriptómica, como investigación de la expresión génica de la comunidad, ofrece información dinámica, como las actividades metabólicas y las interacciones entre el huésped y la microbiota, que complementa las instantáneas estáticas de la composición y el potencial de la comunidad obtenidas mediante secuenciación indiscriminada WGS o secuenciación 16S/18S/ITS.
Además, un método de secuenciación metagenómica permite el ensamblaje genómico de novo de organismos nuevos (como el SARS-CoV-2 al inicio de la pandemia), completar genomas de organismos conocidos o comparar genomas de cientos de organismos utilizando la potencia de la secuenciación de alto rendimiento.
Limitaciones de los métodos actuales
Aunque los métodos de secuenciación metagenómica como WGS, 16S/18S/ITS y metatranscriptómica ofrecen herramientas potentes para estudiar las comunidades microbianas, tienen ciertas limitaciones.
La secuenciación genómica completa indiscriminada puede adolecer de sesgos, como una cobertura no uniforme del genoma, lo que afecta a la precisión de las estimaciones de abundancia microbiana (4).
La etapa de amplificación en la secuenciación 16S/18S/ITS puede introducir sesgos debido a las diferencias en el número de copias de los genes ribosomales y la posibilidad de que se produzcan artefactos de PCR. Esto puede sesgar la representación de la abundancia microbiana(5). Además, es posible que los cebadores universales utilizados en la secuenciación 16S/18S/ITS no coincidan por igual con todas las secuencias dianas, lo que da lugar a una detección incompleta o sesgada de algunos taxones (6).
La metatranscriptómica es gratificante, pero complicada. Al realizar la secuenciación del ARN de muestras complejas de comunidades microbianas, pueden surgir problemas de sensibilidad. ¿La consecuencia? La ausencia de lecturas específicas y la imposibilidad de capturar los transcritos de ARNm de baja abundancia. Esto significa horas de optimización de la secuenciación del ARN para conseguirlo. Este artículo resume cómo evitar el desperdicio de lecturas de secuenciación del ARN en el análisis metatranscriptómico.
Productos destacados: Aumento de la precisión en la secuenciación metagenómica
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Recursos adicionales
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.
- Chouvarine, P., Wiehlmann, L., Losada, P., DeLuca, D., & Tümmler, B. (2016). Filtration and Normalization of Sequencing Read Data in Whole-Metagenome Shotgun Samples. PLoS ONE, 11.
- Khachatryan, L., Leeuw, R., Kraakman, M., Pappas, N., Raa, M., Mei, H., Knijff, P., & Laros, J. (2020). Taxonomic classification and abundance estimation using 16S and WGS-A comparison using controlled reference samples. Forensic science international. Genetics, 46, 102257.
- Losada, P., Tümmler, B., Wiehlmann, L., & Chouvarine, P. (2014). Whole metagenome shotgun sequencing analysis of microbiome of cystic fibrosis- and COPD patients. European Respiratory Journal, 44, 1212.