Метагеноміка
З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Метагеноміка (екологічна геноміка, метагеномний аналіз) — галузь генетики та мікробіології, що вивчає генетичний матеріал спільнот мікроорганізмів, отриманий безпосередньо зі зразків навколишнього середовища, таких як ґрунт, вода чи мікробіом тіла людини.[1]
Метагеномний аналіз, зазвичай, використовується для дослідження спільнот прокаріот, інколи вірусів[2], рідше еукаріот. Використовуючи передові технології секвенування та обчислювальні методи, метагеноміка розкриває повну картину колективної генетичної інформації, присутньої в мікробній спільноті, відомої як метагеном.
Значення метагеноміки поширюється на різні дисципліни, включаючи екологію[3][4][5], біотехнологію[6], медицину[1][7], агрономію[8][9] і науку про навколишнє середовище[10][11][12][13]. Метагеноміка дозволяє дослідникам відкривати нові гени, відкривати нові мікробні види, розуміти взаємодію спільноти, вивчати функції екосистеми та досліджувати роль мікробів у здоров’ї та хворобах людини, тварин та здоров'ї екосистем.
Крім того, метагеноміка розширила можливості для дослідження мікробних спільнот у різноманітних середовищах, проливаючи світло на їх фундаментальну роль у кругообігу поживних речовин, біоремедіації та підтримці екологічного балансу. У медицині це полегшило ідентифікацію мікробних біомаркерів, пов’язаних із захворюваннями, проклавши шлях для нових діагностичних інструментів, методів лікування та глибшого розуміння впливу людського мікробіому та, зокрема, мікробіоти кишки на здоров’я.
Історія
- Norman R. Pace — ПЛР вивчення різноманітності 16S рДНК бактерій в пробах навколишнього середовища.
- 1985 р. Norman R. Pace — Ідея прямого клонування ДНК з природного середовища.
- 1991 р. Norman R. Pace — Перший аналіз 16S рДНК угрупування морського пікопланктону шляхом клонування у фаговий вектор і секвенування.
- 1995 р. Healy, F. G — Виділення функціонально активних генів з сконструйованої метагеномної бібліотеки.
- 1996 р. E. F. DeLong — Започаткування створення метагеномних бібліотек 16S рДНК морських прокаріотів.
- 1998 р. Jo Handelsman — Перші успішні конструювання бібліотек з ґрунтової ДНК. Впровадження терміну «метагеноміка».
Принципи
Відбір і підготовка зразків
- Неізольовані зразки: на відміну від традиційних методів, які зосереджені на ізольованих культурах, метагеноміка передбачає збір генетичного матеріалу безпосередньо зі складних зразків навколишнього середовища, таких як ґрунт, вода або мікробіоми.
- Методи збереження: Належні методи збереження мають вирішальне значення для збереження цілісності генетичного матеріалу під час відбору зразків і транспортування.
Екстракція та секвенування ДНК
- Неупереджене виділення ДНК: Метою методів є виділення ДНК із різноманітних мікроорганізмів у зразку без упередження щодо конкретних видів чи типів.
- Технології секвенування: використання передових платформ секвенування (наприклад, секвенування наступного покоління[en]) для аналізу генетичного матеріалу зі зразків, що дозволяє одночасно охарактеризувати всі геноми в спільноті.
Біоінформатика та аналіз даних
- Збірка та анотація: обчислювальні інструменти використовуються для збірки та анотації[en] отриманих генетичних послідовностей, реконструкції окремих геномів зі складних сумішей.
- Таксономічне та функціональне профілювання: присвоєння таксономічної ідентичності та ідентифікація функціональних генів у наборі метагеномних даних за допомогою біоінформаційних алгоритмів[14][15].
Порівняльний аналіз та інтерпретація
- Порівняння наборів даних: порівняння наборів метагеномних даних у різних зразках або середовищах для виявлення подібностей, відмінностей і закономірностей у мікробних спільнотах.
- Екологічні та функціональні ідеї: отримання уявлень про екологію, функції та взаємодію мікробних спільнот у різноманітних середовищах.
Використання та інтеграція бази даних
- Довідкові бази даних: використання існуючих баз даних[15][16][17][18] і еталонних геномів для допомоги в ідентифікації та анотації послідовностей у метагеномних даних.
- Інтеграція багатьох джерел даних: включення інших даних -омік (метатранскриптоміка[19][20][21], метапротеоміка[22][23] тощо), щоб отримати більш повне розуміння мікробної спільноти та її діяльності.[24][25][26][27]
Експериментальна перевірка та подальші дослідження
- Експериментальне підтвердження: Проведення подальших досліджень, включаючи культивування конкретних організмів або цілеспрямовані експерименти, для підтвердження результатів і розуміння функціональної ролі ідентифікованих генів або мікробних популяцій.
- Поздовжні дослідження: Проведення поздовжніх досліджень для моніторингу змін у мікробних спільнотах з часом або у відповідь на фактори навколишнього середовища, стан здоров’я людини тощо.[28][29][30]
Застосування
Екологічні дослідження
- Мікробне різноманіття: характеристика мікробних спільнот у різних середовищах (ґрунт[8][9][31][32][33][34], прісні води[35], океани, стічні води[36], екстремальні середовища[37][38][39]) для розуміння біорізноманіття та динаміки екосистем.[36][40]
- Біогеохімічний цикл: вивчення ролі мікробів у кругообігу поживних речовин, поглинанні вуглецю та деградації забруднюючих речовин (біоремедіація).[41][42][35]
Здоров'я людини та медицина
- Дослідження мікробіома людини: вивчення складу та функції мікробних спільнот в організмі людини (кишечник, шкіра, ротова порожнина) та їх вплив на здоров’я та захворювання.[1][43][44][45][46]
- Біомаркери[en] захворювань: ідентифікація мікробних сигнатур, пов’язаних із захворюваннями (наприклад, запальним захворюванням кишечника, ожирінням) для діагностичних і терапевтичних цілей.[47][48][49][50][7]
Сільське господарство, агрономія та харчова промисловість
- Взаємодія рослин і мікробів: вивчення мікробних спільнот у ґрунті та коренях рослин для підвищення продуктивності сільського господарства, стійкості до хвороб і поглинання поживних речовин.[51][52][53][54][55]
- Безпека та якість харчових продуктів: Оцінка мікробних спільнот у виробництві та переробці харчових продуктів для покращення заходів безпеки та контролю якості.[56][57]
Біотехнологія, біофармакологія та розробка ліків
- Ідентифікація нових ферментів: виявлення ферментів і біологічно активних сполук із різних мікробних спільнот для промислового застосування (біокаталіз).[6][58][59]
- Спостереження за резистентністю до антибіотиків: моніторинг і розуміння поширення та механізмів стійкості до антибіотиків у мікробних популяціях.[60][61][13]
Охорона навколишнього середовища та біоремедіація
- Біологічний розпад забруднювачів: визначення мікробних спільнот, здатних розкладати забруднювачі навколишнього середовища та розробка стратегій біоремедіації.[62][63][64] (див. також Біологічний окислювач)
- Відновлення екосистем: Оцінка мікробного різноманіття для відновлення та збереження екосистем у забруднених або порушених середовищах.[12][65]
Біоенергетика та відновлювані ресурси
- Виробництво біопалива: вивчення мікробних спільнот для розробки біопалива в біоенергетиці та циркулярній біоекономіці.[66][67][68] (див. також Мікробні паливні елементи[69][70])
- Переробка відходів: використання мікробних спільнот у процесах поводження з відходами та обробки для ефективного розкладання, наприклад, пластику[71][72], стічних вод[73][74], та всіх інших відходів.[75][76][77][78][79]
Еволюційні та екологічні дослідження
Охорона здоров'я та епідеміологія
- Спостереження за патогенами: моніторинг і відстеження наявності та поширення патогенів у навколишньому середовищі та клінічних умовах для цілей епідеміології та охорони здоров’я.[86][87]
Біомедичні дослідження
- Фармакогеноміка: Виявлення мікробних факторів, що впливають на метаболізм ліків та ефективність для персоналізованих підходів до медицини.[88][89][90]
- Мікробна терапія[91]: розробка мікробної терапії (пребіотики, пробіотики, трансплантація фекальної мікробіоти[92][93][94]) для різних захворювань.[95][96][97]
Астробіологія та дослідження космосу
- Екстремальні середовища: вивчення екстремофілів і мікробного життя в екстремальних середовищах на Землі як аналогів потенційного позаземного життя.[37][38][39]
- Дослідження космосу: астробіологіна (астро-мікробіологічна[en][98]) оцінка мікробного різноманіття та потенційних ризиків для здоров’я екіпажу в космічних кораблях.[99][100][101][102][103][104][105]
Методи
 | Цей розділ потребує доповнення. |
Традиційний метод
Секвенування за Сенгером найпоширеніший спосіб в наш час.
Вектори що використовуються для метагеномного аналізу:
- Штучні бактеріальні хромосоми (англ. bacterial artificial chromosome, BAC)
- Фазміди
- Невеликі вектори (shotgun сіквенс)
Нові методи
Нові методи секвенування, є дуже перспективними, вони швидко поширюються. Для них характерним є висока швидкість зчитування послідовності ДНК, і відсутність векторів.
- Піросеквенування по Ротбергу (454)
- Полоні-секвенування
Функціональна метагеноміка
метод метагеномного аналізу, який базується на визначенні клонів, що експресуються. Принцип функціонального якоря дозволяє ідентифікувати гени чию функцію неможливо визначити на основі послідовності ДНК
- Ідентифікація клонів, що проявляють відомі функції
- Характеристика генів відповідальних за функції
- Секвенування активних клонів і визначення філогенетичного функціонального і геномного контексту для функціональних генів
Див. також
Додаткова література
Узагальнити
Перспектива
Книги
- N. Hozzein, Wael, ред. (25 березня 2020). Metagenomics - Basics, Methods and Applications (англ., відкритий доступ по главам). IntechOpen. ISBN 978-1-83880-055-0.
- Streit, Wolfgang R.; Daniel, Rolf, ред. (2017). Metagenomics: Methods and Protocols. Methods in Molecular Biology (англ.) 1539. Springer New York. ISBN 978-1-4939-6689-9.
Журнали
Деякі з наукових журналів, що висвітлюють дослідження метагеноміки:
- Microbiome (BioMed Central)
- Environmental Microbiology (Wiley-Blackwell)
- Applied and Environmental Microbiology (American Society for Microbiology)
- Environmental Microbiology Reports (Wiley-Blackwell)
- Environmental Microbiomes (BioMed Central)
- The ISME Journal (Nature Portfolio)
- mSystems (American Society for Microbiology)
- Genome Biology (BioMed Central)
- Frontiers in Microbiology (Frontiers Media)
- PLoS Computational Biology (Public Library of Science)
- BMC Genomics (BioMed Central)
Статті
- Підбірка статей Metagenomics (Nature Portfolio)
- Pavlopoulos, Georgios A.; Baltoumas, Fotis A.; Liu, Sirui та ін. (2023-10). Unraveling the functional dark matter through global metagenomics. Nature (англ.) 622 (7983). с. 594–602. doi:10.1038/s41586-023-06583-7.
- Chiu Charles Y.; Miller Steven A. (2019-06). Clinical metagenomics. Nature Reviews Genetics (англ.) 20 (6). с. 341–355. doi:10.1038/s41576-019-0113-7.
- Florian P Breitwieser, Jennifer Lu, Steven L Salzberg. (2019). A review of methods and databases for metagenomic classification and assembly. Briefing in Bioinformatics. doi:10.1093/bib/bbx120.
Примітки
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.