Jill Banfield y su equipo han utilizado la metagenómica resuelta por el genoma para encontrar nuevos sistemas CRISPR, virus enormes, ramas completamente nuevas en el árbol de la viday más, pero ¿qué es exactamente is metagenómica? Queríamos dar un paso atrás y presentar a los lectores las técnicas pioneras del laboratorio de Banfield para encontrar y comprender nuevos microbios, con un poco de ayuda del científico asociado del proyecto del laboratorio de Banfield, Spencer Diamond.
¿Qué es la metagenómica y qué podemos aprender de ella?
La metagenómica es el estudio de letra singular de una comunidad mixta de organismos, generalmente microbios. Implica tomar una muestra de microbios de un entorno como el suelo, un acuífero o parte del cuerpo. El material genético está aislado y la muestra resultante tiene material genético de todos los miembros de la comunidad, mezclado. Se puede aprender mucho de qué tipo de los genes están presentes en la muestra, como qué especies hay, qué vías metabólicas utilizan, cómo funciona su sistema inmunológico y más.
“Solo el 1% de los microbios del mundo se han cultivado en un laboratorio”, dice Diamond. “Y a pesar de nuestros mejores esfuerzos, la mayoría de ellos todavía no pueden serlo. A veces se debe a que no conocemos las condiciones exactas que necesitan para crecer, pero también a que muchos microbios son sociales: viven en relaciones simbióticas o parasitarias con otros microbios y no pueden crecer por sí mismos ".
La metagenómica es la principal forma de estudiar las muchas especies que no podemos cultivar en los laboratorios. Estos organismos pueden tener vías metabólicas únicas y podrían ser nuevas fuentes de antibióticos y genoma,-herramientas de edición como CRISPR.
¿Qué es la metagenómica resuelta por el genoma?
En la metagenómica resuelta por el genoma, la mezcla compleja de secuencias de ADN se fragmenta, secuencia y ensambla en secuencias continuas más largas que representan partes o la totalidad de los genomas. "La metagenómica resuelta por el genoma", dice Diamond, "le brinda la imagen completa de cada organismo que está allí, cuál es su genoma y lo que podrían hacer". La directora de microbiología de IGI, Jill Banfield, fue pionera en la metagenómica resuelta por genoma en 2004.
¿Qué grandes hallazgos han surgido hasta ahora de la metagenómica?
La metagenómica resuelta por el genoma se ha utilizado para encontrar y estudiar organismos que viven en algunos de los entornos más remotos y extremos, como géiseres, desiertos y aguas residuales tóxicas. Algunos de los hallazgos más importantes son nuevas especies y clases completamente nuevas de organismos que antes eran desconocidos para la ciencia.
“La metagenómica ha reescrito el árbol de la vida”, dice Diamond. “Ahora sabemos que existe una enorme cantidad de diversidad genética, y los humanos y los animales son solo un pequeño problema en la esquina. En un sentido evolutivo, ¡somos insignificantes y pequeños! Es un poco irónico porque lo que estamos descubriendo es que la mayoría de los seres vivos son en realidad extremadamente pequeños; literalmente, justo debajo de nuestros pies hay una diversidad genética tan dramática. La mayor parte de la diversidad de la vida en la tierra se encuentra en realidad en microorganismos. La metagenómica ha encontrado grandes grupos de microorganismos que no sabíamos que existían antes. Muchos de ellos son ultrapequeños, más pequeños de lo que pensamos que era posible ".
¿Qué son la metatranscriptómica y la metaproteómica? ¿Qué podemos aprender de ellos?
"Genómica significa que, en lugar de apuntar a una pequeña porción individual de ADN, simplemente se secuencia todo el ADN en una mezcla y se usa una computadora para clasificar los datos ”, explica Diamond. "Esa idea de 'ómicas' se aplicó a otras áreas". La metatranscriptómica es un método de secuenciar todos los moléculas de ARN en una muestra mixta, y la metaproteómica es una forma de identificar proteínas en una muestra mixta.
“La vida tiene cuatro macromoléculas principales: proteínas, lípidos (grasas), carbohidratos y ácidos nucleicos - ADN y ARN ”, dice Diamond. “Y cada una de esas cosas te cuenta una parte de la historia sobre lo que está sucediendo en un organismo. El ADN básicamente te dice quién es y qué podría hacer. Lo que realmente hace variará según las circunstancias, y el ARNm le dice qué está haciendo un organismo activamente en una pequeña escala de tiempo, qué genes se activan y desactivan. El proteoma es una palabra elegante para todas las proteínas que están presentes en ese organismo; en realidad, es una verdad fundamental sobre qué proteínas están realmente presentes en un organismo en un momento determinado. Cada uno ofrece una vista diferente de lo que está sucediendo, así como de lo que está sucediendo en diferentes escalas de tiempo ".
¿Cuáles son algunas de las posibles aplicaciones de la metagenómica?
“La metagenómica ha sido extremadamente fructífera en el descubrimiento de nuevas herramientas de biología molecular”, dice Diamond, “muchas técnicas genéticas se basan en hacer coincidir el ADN con cosas que ya conocemos. ¡Con la metagenómica no sabes lo que estás obteniendo! Podemos recuperar ADN y genomas que nunca supimos que existían, o incluso sospechamos que estaban en una muestra. Hay mucho más por descubrir en estos genomas desconocidos ".
De hecho, CRISPR edición del genoma La tecnología es una adaptación de los sistemas inmunológicos CRISPR alojados en los genomas de muchos bacterias fotosintéticas y arqueas, y se están desarrollando proteínas relacionadas con CRISPR de diferentes organismos para edición, herramientas de diagnóstico y más. Los microorganismos también pueden ser fuente de inspiración para nuevos medicamentos, como antibióticos, antifúngicos y estatinas. ¿Qué más podría acechar en los misteriosos genomas nuevos?
“En términos del ecosistema global, el metabolismo animal es bastante aburrido, básicamente solo comemos alimentos y respiramos aire. Pero estos diminutos organismos pueden realizar increíbles tipos diferentes de metabolismo. Son responsables de la renovación de todos los nutrientes en nuestra biosfera ”, dice Diamond. Por ejemplo, algunos microorganismos comen metano, un gas de efecto invernadero, y otros convierten el nitrógeno del suelo en una forma que las plantas necesitan para crecer. A medida que aprendamos más sobre estos organismos, es posible que podamos utilizar sus capacidades metabólicas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, mejorar la salud del suelo, reducir los insumos agrícolas, capturar carbono de la atmósfera y más.
¿Cuál es la próxima frontera de la metagenómica?
“Realmente hemos sido como observadores de aves hasta ahora: vamos a estos entornos y analizamos lo que está sucediendo. Hemos llegado al punto en que podemos usar la metagenómica para identificar los organismos y lo que podrían estar haciendo ”, dice Diamond.
En un nuevo documento, Diamond junto con Benjamin Rubin, Brady Cress y otros investigadores de los laboratorios de Banfield y Doudna dan pasos para poder editar genomas microbianos sin siquiera tener que aislar los organismos de sus entornos nativos y comunidades microbianas. Primero, imitaron un suelo microbioma cultivando un grupo de nueve microorganismos del suelo juntos en el laboratorio. Al tratar todo el microbioma con reactivos de edición del genoma, pudieron editar con éxito genes solo en organismos específicos.
Acercándose a la edición en un entorno natural, el equipo comenzó a trabajar con una muestra de heces humanas, que es rica en microorganismos. A partir de la muestra, cultivaron los organismos juntos, creando una comunidad estable compuesta principalmente por 14 tipos diferentes de microorganismos. Al tratar a toda la comunidad con herramientas de edición del genoma, pudieron editar específicamente E. coli cepas, dirigidas a genes relacionados con la infección.
En el futuro, los enfoques de edición comunitaria podrían usarse para editar directamente organismos seleccionados en sus entornos naturales para tratar enfermedades humanas, mitigar el cambio climático y más. Obtenga más información sobre el nuevo documento de edición de la comunidad aquí.
