Introducción a la metagenómica y sus posibles aplicaciones

¿Qué es la metagenómica?

La metagenómica es la ciencia encargada del estudio del genoma de una comunidad de microorganismos existentes en un entorno o ecosistema determinado. Aproximadamente el 99,8% de los microorganismos viven en comunidades mixtas y no son cultivables, por lo que es necesario disponer de nuevas técnicas para su estudio.

Tradicionalmente, los estudios de ecología microbiana se basaban en el aislamiento y cultivo de los microorganismos y la purificación de su ADN, o bien la extracción directa del ADN a partir de la muestra seguida de la amplificación por PCR, y posterior separación de los fragmentos e identificación de los aislados por el método de secuenciación Sanger. Sin embargo, estos métodos presentan una serie de desventajas respecto a los métodos de secuenciación masiva. Estos últimos son independientes de cultivo, requieren poco ADN de la muestra, son capaces de identificar microorganismos poco representados y permiten combinar y multiplexar varias muestras a coste y tiempo reducidos.

Tipos de análisis metagenómicos: análisis del metagenoma

A comienzos del siglo XXI surgieron nuevos métodos de secuenciación, basados en la síntesis y las denominadas plataformas de Next-generation Sequencing (NGS) teniendo un efecto transformador en la comprensión de la genómica microbiana siendo sus dos técnicas principales la secuenciación del genoma completo y la secuenciación de forma más dirigida del gen específico de bacterias 16S rRNA (18S rRNA en eucariotas). Ambas técnicas son muy eficaces, siendo cada una útil en diferentes aplicaciones (Figura).

Por un lado, la secuenciación del genoma completo (Shotgun) permite conocer la información metabólica y funcional de cada microorganismo y diferenciar entre las distintas cepas de una misma especie, siendo capaz de identificar nuevos microorganismos mediante alineamiento de novo. Este tipo de secuenciación resulta muy útil a la hora de identificar cepas y microorganismos poco abundantes en una comunidad microbiana.

Por su parte, la secuenciación del gen bacteriano 16S rRNA, secuencia dicho gen en los genomas presentes en una muestra de manera conjunta. Este tipo de genes ribosomales, están altamente conservados, son evolutivamente estables y contienen regiones hipervariables V1-V9, de entre las cuales cabrían destacar V3 y V4 por ser las más estudiadas y utilizadas, aunque también existen otras como V1, V2 o V9. Estas regiones son específicas de bacterias y permiten diferenciar entre géneros y especies.

Hasta la fecha, los instrumentos de secuenciación de Illumina son los más utilizados en el mercado debido a su superior rentabilidad y alta precisión de secuenciación. Una vez obtenidos los datos procedentes de secuenciación de regiones variables 16S y 18S, se procede al filtrado de datos y controles estadísticos de calidad de las secuencias, seguido de la anotación basada en asignación de OTUs (Operational Taxonomic Unit), el cálculo de la alfa y beta diversidad, la clasificación taxonómica y análisis diferencial y por último la predicción de la contribución en rutas biológicas y metabólicas.

Visión general de los procesos de secuenciación (imagen adaptada del artículo: Morgan, XC. et al. 2013 Jan;29(1):51-8. doi: 10.1016/j.tig.2012.09.005.)

Posibles aplicaciones de la metagenómica

Las aplicaciones de la metagenómica, son amplias en campos como la biotecnología, farmacología, la medicina, la generación de biocombustibles, la biorremediación o la agricultura. Por ejemplo, la metagenómica puede emplearse en cultivos para conocer dónde se ubican determinadas comunidades bacterianas capaces de modificar el crecimiento de las plantas. También tiene una importante incidencia en la medicina como se pone de manifiesto en el Proyecto Microbioma Humano, cuyo principal objetivo es conocer comunidad bacteriana que invade nuestro organismo para poder mejorar nuestra calidad de vida.

Aplicación clínica: el análisis integral del material genético microbiano y del paciente (ADN y ARN) presentes en una muestra, está pasando rápidamente de la investigación a los laboratorios clínicos. La capacidad de detectar potenciales patógenos tales como bacterias, virus, protozoos, etc. en una muestra conociendo de forma simultánea la respuesta del paciente, convierte a la metagenómica en una herramienta muy útil a la hora de diagnosticar patologías de diversos tipos, como enfermedades metabólicas, autoinmunes, inflamatorias, neurológicas, respiratorias o cáncer, entre otras. Entre estas, destacan aquellos que comparan la eficacia de fármacos como la inmunoterapia o la toxicidad en algunos tipos de quimioterapia. Además, la integración de los datos metagenómicos individuales junto con los datos clínicos y los hábitos de vida del paciente, promete ser de gran valor para la identificación de posibles factores de riesgo, diagnóstico y pronóstico, y contribuirá a la implementación de estrategias terapéuticas personalizadas más eficientes.

Aplicación Biotecnológica: desde un punto de vista biotecnológico, los microorganismos son una fuente inagotable de nuevos enzimas, antibióticos y otras biomoléculas con propiedades de gran interés para distintos tipos de industria. Por ejemplo, enzimas como las lipasas, las proteasas o las amilasas poseen una gran versatilidad que las hace útiles en múltiples procesos, como la producción de productos farmacéuticos, detergentes para la ropa o degradación de polímeros naturales como la celulosa o el almidón. Por otro lado, la industria farmacéutica también puede beneficiarse del uso de compuestos bioactivos como la citarabina (anticancerosa), las cefalosporinas (antimicrobiana) y la vidarabina (antivirus), y de antibióticos como la estreptomicina.

Conclusiones

La metagenómica y las herramientas bioinformáticas han hecho posible el desarrollo de numerosas aplicaciones con utilidad en ámbitos muy variados, favoreciendo con ello el desarrollo socioeconómico y el aumento global de la calidad de vida. En el marco de la Medicina de Precisión, la integración de los datos metagenómicos individuales con la información clínica y los hábitos de vida de las personas permitirá conocer la susceptibilidad a padecer diversas patologías. Además, será posible predecir la respuesta a determinados tratamientos, favoreciendo la implementación de estrategias terapéuticas personalizadas.

Sin embargo, muchos enfoques aún se encuentran en fases iniciales y cuentan con limitaciones debido a las dificultades que conllevan el análisis y la interpretación de datos procedentes de la NGS y la falta de experiencia de muchos profesionales. En el futuro, se espera que la integración de la metagenómica con otras disciplinas “ómicas” como la genómica, la transcriptómica o la metabolómica, abra la puerta a nuevas estrategias integradas que, sin duda, darán lugar a interesantes soluciones aún por descubrir.

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