Siła i potencjał metagenomiki w nauce oraz przemyśle

Wraz ze wzrostem popularności badań metagenomicznych wzrosła też liczba technologii i protokołów, które ewoluowały, co czasami utrudnia zaprojektowanie analizy do konkretnego badania. Naukowcy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego i Sano Centre for Computational Medicine w Krakowie oraz Politechniki Śląskiej wzięli udział w stworzeniu przeglądu technologii wykorzystywanych w analizach metagenomicznych, o czym donosi prestiżowe „Nature Reviews Methods Primers”.

W ostatnich latach metagenomika stała się kluczowym narzędziem do badania społeczności drobnoustrojów, dostarczając szczegółowych informacji o mikroorganizmach zasiedlających dane środowisko oraz ich funkcjach. Analizując materiał genetyczny bezpośrednio z próbek środowiskowych, metagenomika uzupełnia inne podejścia omiczne, pomagając odkrywać złożoność i interakcje w ekosystemach mikrobiologicznych. Metoda ta odegrała istotną rolę w rozwoju badań nad mikroorganizmami i znalazła szerokie zastosowanie w medycynie, bezpieczeństwie żywności, rolnictwie oraz biotechnologii, dostarczając cennych informacji zarówno dla nauki, jak i praktycznych zastosowań.

Rosnąca dostępność badań metagenomicznych zrewolucjonizowała analizę społeczności mikroorganizmów, umożliwiając odkrywanie nowych gatunków oraz lepsze zrozumienie ich interakcji ze środowiskiem. Jednak analiza próbek mikrobiomu wiąże się z wieloma wyzwaniami, takimi jak zanieczyszczenie próbek czy wpływ czynników środowiskowych, w tym ekstremalnych warunków klimatycznych. Dlatego planowanie badań metagenomicznych wymaga starannego podejścia, obejmującego wybór odpowiedniej technologii sekwencjonowania oraz zapewnienie właściwego pobierania i przygotowania próbek.

Dokładne zaplanowanie eksperymentu jest kluczowe, ponieważ brak spójności w standardach i różnorodność protokołów mogą prowadzić do niekompletnych i niespójnych wyników. Aby zapewnić wysoką jakość danych i ich powtarzalność, badania metagenomiczne muszą kontynuować udoskonalanie protokołów eksperymentalnych, metod obliczeniowych oraz podejść analitycznych.

Artykuł „Analysis of metagenomic data” przedstawia przegląd kluczowych pojęć metagenomiki, prezentując aktualne praktyki analizy danych metagenomicznych. Ponadto omawia ograniczenia zarówno metod eksperymentalnych, jak i obliczeniowych oraz proponuje możliwe rozwiązania tych wyzwań.

Gdzie to wszystko się zaczyna – zbieranie i przetwarzanie próbek

Kluczowym elementem każdego eksperymentu metagenomicznego jest staranny wybór metod zbierania próbek, technik ich przechowywania oraz procesu sekwencjonowania. Każdy etap tego procesu powinien być dobrze zaplanowany, ponieważ nieprecyzyjność na którymkolwiek z poziomów może prowadzić do błędów, które wpłyną na jakość wyników. Odpowiednie zaplanowanie badania zapewnia wysoką jakość danych, które będą mogły być wykorzystywane przez inne grupy badawcze w przyszłości.

Zaczynając od zbierania próbek, należy uwzględnić kilka kluczowych czynników: potencjalne zanieczyszczenie próbki, koszty pobierania, wygodę i efektywność procesu oraz wymagania dotyczące kontroli jakości. Po pobraniu próbek powinny one zostać zamrożone lub dezaktywowane w sposób, który zminimalizuje ryzyko degradacji materiału genetycznego. Czynniki takie jak wahania temperatury, ekspozycja na tlen oraz wielokrotne cykle zamrażania i rozmrażania mogą negatywnie wpłynąć na integralność DNA i RNA, co z kolei może zafałszować wyniki analizy mikrobiologicznej.

Kolejnym etapem jest ekstrakcja DNA. Zmienność w metodach ekstrakcji może prowadzić do różnic w jakości izolowanego materiału, co może wpłynąć na dalsze etapy analizy. Po ekstrakcji DNA następuje przygotowanie biblioteki i sekwencjonowanie, gdzie odpowiednia technologia zależy od specyfiki badania oraz dostępnych zasobów finansowych. Technologie sekwencjonowania krótkich odczytów, takie jak Illumina NGS, są powszechnie wykorzystywane w badaniach wymagających wysokiej precyzji, np. w wykrywaniu wariantów genetycznych, analizie ekspresji genów oraz profilowaniu metagenomicznym. Z kolei technologie długich odczytów, jak Nanopore i PacBio, są szczególnie przydatne do analizy struktury genomu, identyfikowania długich wariantów oraz badania trudnych do zsekwencjonowania regionów, które mogą być niewidoczne w przypadku sekwencjonowania krótkimi odczytami.

Gdzie pojawiają się możliwości – analiza metagenomiczna

Analiza metagenomiczna to nowoczesna metoda badania mikroorganizmów, która pozwala na zrozumienie skomplikowanej struktury mikrobiomu w różnych środowiskach, takich jak organizm ludzki, gleba czy woda. Proces ten, wykonywany w pełni na poziomie komputera, składa się z kilku kluczowych etapów, które umożliwiają szczegółową identyfikację mikroorganizmów oraz ich funkcji w danej próbce.

Proces analizy danych metagenomicznych zaczyna się od wstępnego przetwarzania i kontroli jakości. Na tym etapie ocenia się dane uzyskane z sekwencjonowania DNA, w tym pokrycie odczytów, głębokość analizy oraz identyfikuje ewentualne zanieczyszczenia. Kolejnym krokiem jest demultipleksowanie, które pozwala przypisać dane do konkretnych próbek na podstawie unikalnych indeksów. Po wstępnym przetworzeniu danych następuje składanie odczytów DNA polegające na łączeniu fragmentów w całość. Dzięki temu uzyskuje się dokładniejszy obraz zawartości genetycznej próbki, co pozwala na precyzyjne określenie obecnych w niej mikroorganizmów oraz ich różnorodności. Kolejnym krokiem jest klasyfikacja taksonomiczna mająca na celu przypisanie zidentyfikowanych mikroorganizmów do odpowiednich grup, takich jak bakterie, grzyby czy wirusy. Dzięki porównaniu z bazami danych znanych genomów dowiadujemy się, które mikroorganizmy występują w próbce oraz w jakiej liczbie.

Na zakończenie przeprowadza się analizę funkcjonalną, która umożliwia identyfikację biologicznych funkcji pełnionych przez mikroorganizmy. W ten sposób poznajemy szlaki metaboliczne aktywowane przez mikroorganizmy oraz ich potencjalny wpływ na zdrowie i procesy biologiczne w organizmach żywych. Dzięki tym krokom analiza metagenomiczna dostarcza cennych informacji na temat mikrobiomu, pomagając w lepszym zrozumieniu jego roli w różnych ekosystemach.

Możliwe zastosowania

Metagenomika znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny po ochronę środowiska. W kontekście zdrowia umożliwia szczegółową analizę mikrobiomu człowieka, pozwalając na identyfikację zmian związanych z różnymi stanami chorobowymi. Dzięki temu możliwe jest nie tylko monitorowanie mikroflory w kontekście zdrowotnym, ale także opracowanie nowoczesnych metod diagnostycznych, wykraczających poza tradycyjne podejścia.

Jednym z kluczowych aspektów metagenomiki jest zdolność do wykrywania patogenów, również tych trudnych do identyfikacji klasycznymi metodami hodowlanymi, co może znacząco przyspieszyć diagnozę i leczenie. Ponadto analiza metagenomiczna pozwala na identyfikację genów związanych z wirulencją i antybiotykoopornością, a także śledzenie mechanizmów rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych.

Źródło: Uniwersytet Jagielloński w Krakowie

Czytaj także: Bakterie jako ekologiczna alternatywa w naprawach betonu