Metagenomika nowym kierunkiem mikrobiologii
Kasia Kuleszewicz | 2007-04-06
Wyłaniający się kierunek nowoczesnej mikrobiologii – metagenomika zrewolucjonizuje rozumienie i postrzeganie świata mikrobiologii. Raport opublikowany w The National Academies wzywa do zainicjowania Powszechnego Globalnego Projektu Metagenomicznego na miarę Projektu Poznania Ludzkiego Genomu (ang. Human Genome Project, HUGO Project). Powszechny Globalny Projekt Metagenomiczny ma na celu poznanie nowych, jeszcze nieodkrytych gatunków mikroorganizmów.
Metagenomika, zwana także genomiką środowiskową, ekogenomiką, a także genomiką populacji drobnoustrojów jest nową techniką polegającą na klonowaniu DNA pozyskiwanego bezpośrednio z naturalnych środowisk i następnie sekwencjonowaniu ogromnych bibliotek genomowych.
Mikroorganizmy, zamieszkujące niemalże wszystkie miejsca na świecie, stanowią niezwykle istotny element ziemskiego ekosystemu. Odgrywają one istotną rolę przetwarzając pierwiastki w energię, utrzymując balans chemiczny w atmosferze, zapewniając składniki odżywcze roślinom i zwierzętom oraz wypełniając inne funkcje potrzebne do życia innych organizmów na ziemi. W ludzkim organizmie występują biliony nieszkodliwych mikrobów. Biorą one udział w procesach takich jak trawienie, rozkład toksyn czy obrona przed innymi, chorobotwórczymi mikrobami. Mikroorganizmy są także wykorzystywane do wielu komercyjnych celów takich jak: produkcja antybiotyków, oczyszczanie środowiska z wycieków olejowych, produkcja biopaliw.
Tradycyjna mikrobiologia koncentruje się na badaniu pojedynczych rodzajów mikroorganizmów i to tylko takich, które mogą być hodowane w laboratorium i testowane pod mikroskopem. Jednak większość istotnych funkcji pełnionych przez mikroorganizmy możliwa jest tylko wtedy gdy są one w złożonych grupach. Warunki takie nie mogą być odtworzone w warunkach laboratoryjnych. Dotychczas poznano pełną sekwencję genomu kilkuset szczepów i gatunków mikroorganizmów. Szacuje się jednak, że około 90% tych ogromnych baz danych to bakterie należące do domeny Bacteria, z czego 75% danych dotyczy bakterii chorobotwórczych. Bakterie zdolne do wzrostu w warunkach laboratoryjnych stanowią niewiele ponad 1% ogromnie zróżnicowanej populacji wszystkich gatunków żyjących w środowiskach naturalnych. Daje to perspektywę jak nadal mało wiemy o bakteriach.
W takiej sytuacji ogromne zastosowanie miałaby metagenomika. Metagenomika, nowy kierunek badań, pozwala na testowanie całych populacji mikroorganizmów występujących w danym środowisku, bez konieczności ich hodowli w laboratorium. Pozwala to zatem na poznanie tych gatunków mikroorganizmów, które dotychczas były pomijane ze względu na brak możliwości laboratoryjnej hodowli. Docelowo metagenomika pozwoli na odkrycie tysięcy nowych drobnoustrojów o potencjalnie pożytecznych funkcjach.
Analizę metagenomową można podzielić na cztery etapy. Pierwszy etap to izolacja DNA. Próbka pobierana jest z naturalnego środowiska interesującej flory bakteryjnej. Zawiera ona różne typy mikroorganizmów. Komórki bakterii mogą być otwierane za pomocą metod chemicznych, jak na przykład silnie alkaliczne warunki, lub też za pomocą metod fizycznych, takich jak sonifikacja. Uwolnione DNA z komórek jest następnie izolowane. Genomowe DNA jest stosunkowo duże, dlatego materiał genetyczny jest cięty na mniejsze fragmenty przy pomocy enzymów restrykcyjnych. Pocięte fragmenty są następnie wklonowywane w wektory. Fragment taki może być powielony w wektorze i na jego podstawie może powstać białko. Kolejny etap analizy metagenomowej polega na wprowadzeniu wektorów z insertem z DNA do modelowego organizmu. Modelowym organizmem w tym przypadku jest najczęściej E.Coli, powszechnie występująca bakteria, którą można hodować w laboratorium. Transformacja bakterii może być przeprowadzona za pomocą jednej z wielu metod (chemicznych, elektrycznych czy biologicznych). Wektory są zaprojektowane tak, że tylko jeden rodzaj fragmentu metagenomowego DNA będzie utrzymywany w pojedynczej komórce gospodarza. Transformowane komórki są następnie hodowane na selektywnych mediach. Każda komórka jest początkiem dla kolonii komórek, które powstaną na skutek podziałów tej pierwszej. Kolonie zawierają jeden rodzaj metagenomowego DNA i stanowią metagenomową bibliotekę. Czwarty, ostatni etap, to analiza DNA z metagenomowych bibliotek. Ekspresja DNA determinuje zarówno fizyczne i chemiczne właściwości organizmu. Daje to podstawę dla wielu potencjalnych sposobów analizy.
The Research Council zasugerował, że najbardziej efektywnym sposobem rozszerzenia zastosowania metagenomiki jest zainicjowanie Powszechnej Metagenomicznej Inicjatywy (Global Metagenomics Initiative). Jej celem byłoby rozpoczęcie kilku międzynarodowych projektów na dużą skalę, a także kilka małych i średnich przedsięwzięć, mających na celu poznanie i analizę wybranych grup mikroorganizmów w ich naturalnych środowiskach na całym świecie.
Jakie jest zatem podstawowe zastosowanie metagenomiki? Wiele mikroorganizmów wykazuje użyteczne właściwości, które mogłyby być wykorzystane w wielu dziedzinach. Poprzez izolowanie DNA z tych organizmów i poznawanie jego sekwencji, możliwym będzie optymalizacja procesów w których mikroorganizmy te biorą udział, a także ich adaptacja do potrzeb komercyjnych. Dotychczasowe ograniczenia dotyczące możliwości hodowania organizmów w laboratorium znacząco hamowały badania nad ogromnie zróżnicowanym i bogatym światem bakterii. Metagenomika jest zatem potężnym narzędziem pozwalającym na poznanie mikrobiologicznej bioróżnorodności wielu środowisk, a także wykorzystania ich dla korzyści człowieka.
Źródła:
- http://www.festiwal.lodz.pl/index.php?action=terminarz& start=190&order=termin1_data,termin1_start&idimpr=260 – Badania genetyczne środowiskowych organizmów niehodowalnych
- www.scq.ubc.ca/?p=509 – Metagenomics: the science of biological diversity – etapy analizy metagenomowej
- http://national-academies.org/
Komentarze
Biotechnolog | 2012-09-11 13:32:28
awiera ona różne typy mikroorganizmów. Komórki bakterii mogą być otwierane za pomocą metod chemicznych, jak na przykład silnie alkaliczne warunki, lub też za pomocą metod fizycznych, takich jak sonifikacja
Autorowi chodziło chyba o sonikacje...