Metagenomika

S Vikipedije, slobodne enciklopedije
Ovaj članak je deo diseminacionih aktivnosti uz podršku Fonda za nauku Republike Srbije, Program DIJASPORA, #6464843, MeMEAS u saradnji sa Hemijskim fakultetu Univerziteta u Beogradu. Sadržina ovih tekstova ne izražava stavove Fonda za nauku Republike Srbije.
Datum unosa: oktobar—decembar 2023.
Vikipedijanci: Ova grupa učenika će pisati članke na podstranicama, gde će ostati do kraja perioda unosa i ocenjivanja.
Pozovamo vas da pomognete učenicima i date im smernice tokom izrade.

Metagenomika je proučavanje genetičkog materijala dobijenog direktno iz uzoraka izolovanih iz životne sredine ili kliničkih uzoraka metodom koja se zove sekvenciranje. Ovo široko naučno polje se takođe može nazvati genomikom životne sredine, ekogenomikom, genomikom mikrobnih zajednica ili mikrobiomikom.

Dok se tradicionalna mikrobiologija, sekvenciranje mikrobnih genoma i genomika oslanjaju na izolovane i propagirane kulture mikroorganizama, rano sekvenciranje gena iz uzoraka izolovanih iz životne sredine dovelo je do kloniranja specifičnih gena (najčešće gena koji kodira 16S rRNA) kako bi se dobila raznovrsnost u prirodnom uzorku. Takvi radovi otkrili su da je većina mikrobnog biodiverziteta bila izostavljena ukoliko se koriste metode koje se zasnivaju na kultivaciji kultura mikroorganizama.[1]

Zbog mogućnosti da otkrije prethodno skrivenu raznosvrsnost mikroskopskog života, metagenomika pruža moćan način razumevanja mikrobnog sveta, što može revolucionizovati razumevanje biologije.[2] Kako cena sekvenciranja DNA nastavlja da pada, metagenomika sada omogućava da se mikrobna ekologija istražuje mnogo detaljnije i na mnogo većoj skali nego ranije. Skorašnja istraživanja koriste ili takozvano shotgun, ili PCR-dirigovano sekvenciranje, kako bi se dobili nepristrasni rezultati svih gena u uzorkovanim mikrobnim zajednicama.[3]

Poreklo termina[uredi | uredi izvor]

Termin „metagenomika” prvi put je korišćen od strane Džo Handelsman, Roberta M. Gudmena, Mišel R. Rondon, Džona Klardija i Šona F. Bredija, i prvi put se pojavio u publikaciji 1998. godine.[4] Termin „metagenom” odnosio se na ideju da skup gena sekvenciranih iz životne sredine može biti analiziran na način analogan izučavanju jednog genoma. Godine 2005. Kevin Čen i Lior Pahter (istraživači na Univerzitetu Kalifornije, Berkli) definisali su metagenomiku kao „primenu modernih tehnika genomike bez potrebe za izolovanjem i laboratorijskim gajenjem pojedinačnih vrsta”.[5]

Sekvenciranje[uredi | uredi izvor]

Izolovanje DNA fragmenata dužih od nekoliko hiljada baznih parova iz uzoraka iz okoline bilo je vrlo zametno sve do skorih napredaka u tehnikama molekularne biologije koje su omogućile izradu biblioteka u veštačkim bakterijskim hromozomima (engl. BACs), koji su predstavljali bolje vektore za molekulsko kloniranje.[6]

Shotgun metagenomika[uredi | uredi izvor]

Napredak u bioinformatici, poboljšanje metoda za umnožavanje DNA i unapređenje računarske moći značajno su pomogli analizi DNA sekvenci koje su dobijene iz uzoraka životne sredine, omogućavajući primenu shotgun sekvenciranja na metagenomske uzorke (poznate i kao celi metagenomski shotgun ili WMGS (engl. whole metagenome shotgun) sekvenciranje). Ova metoda, koja se koristi za sekvenciranje mnogih mikroorganizama gajenih u kulturi i ljudskog genoma, nasumično raskida DNA, dajući veliki broj kratkih sekvenci, i rekonstruiše ih u konsenzusnu sekvencu. Shotgun sekvenciranje otkriva gene prisutne u uzorcima iz životne sredine. Ranije su biblioteke klonova korišćene kako bi se olakšalo ovo sekvenciranje. Međutim, s napredovanjem visoko efikasnih tehnologija sekvenciranja, korak kloniranja više nije neophodan i može se dobiti više podataka sekvenciranja bez ovog laboratorijskog koraka. Shotgun metagenomika obezbeđuje informacije i o tome koji organizmi su prisutni i koji su metabolički procesi mogući u mikrobnim zajednicama.[7] Pošto je kolekcija uzoraka DNA izolovanih iz životne sredine u velikoj meri dobijena pod nekontrolisanim uslovima, najzastupljeniji organizmi u uzorcima izolovanim iz životne sredine najviše su predstavljeni u dobijenim podacima nakon sekvenciranja. Da bi se postiglo visoko pokriće sekvenci potrebno za potpuno rešavanje genoma nisko zastupljenih članova zajednice, potrebne su velike količine uzoraka, koje su često tehnički neizvodljive. S druge strane, slučajna priroda shotgun sekvenciranja obezbeđuje da će mnogi od ovih organizama, koji bi inače prošli nezapaženi koristeći tradicionalne tehnike kultivacije, biti predstavljeni barem nekim malim segmentima sekvenci.[8]

Visoko efikasno sekvenciranje[uredi | uredi izvor]

Prednost visoko efikasnog sekvenciranja je što ova tehnika ne zahteva kloniranje DNA pre sekvenciranja, uklanjajući jednu od glavnih predrasuda i uskih grla u analizi uzoraka iz životne sredine. Prve metagenomske studije sprovedene korišćenjem visoko efikasnog sekvenciranja koristile su masovno paralelno 454-pirosekvenciranje.[9] Tri tehnologije koje se obično primenjuju za uzorke izolovane iz životne sredine su Ion Torrent Personal Genome Machine, Illumina MiSeq ili HiSeq i Applied Biosystems SOLiD sistem.[10] Ove tehnike sekvenciranja DNA stvaraju kraće fragmente od Sengerovog sekvenciranja; Ion Torrent PGM sistem i 454 pirosekvenciranje obično očitavaju fragmente od oko 400 baznih parova, Illumina MiSeq očitava fragmente od oko 400-700 baznih parova (u zavisnosti od toga da li se koristi sekvenciranje sa oba kraja), dok SOLiD očitava fragmente dužine 25-75 baznih parova.[11] Istorijski gledano, ove dužine čitanja su bile znatno kraće od tipične dužine čitanja Sengerovog sekvenciranja od oko 750 baznih parova, međutim Illumina tehnologija se brzo približava ovim vrednostima. Ovo ograničenje je nadoknađeno mnogo većim brojem pojedinačnih čitanja sekvenci. Već 2009. godine metagenomi dobijeni pirosekvenciranjem su imali 200–500 megabaza, a Illumina platforme su generisale oko 20–50 gigabaza, ali su se ove vrednosti povećale za red veličine poslednjih godina.[12]

Bioinformatika[uredi | uredi izvor]

Podaci dobijeni metagenomskim eksperimentima su i ogromni i imaju veliku količinu „šuma” (engl. noise) i sadrže fragmentisane podatke koji predstavljaju čak 10.000 vrsta. [13] Sekvenciranje metagenoma kravljeg buraga dalo je 279 gigabaza, ili 279 milijardi baznih parova [14], dok je katalog gena mikrobioma ljudskog creva identifikovao 3,3 miliona gena sastavljenih od 567,7 gigabaza podataka o sekvenci.[15] Prikupljanje, čuvanje i klasifikovanje korisnih bioloških informacija iz skupova podataka ove veličine predstavljaju značajne izazove istraživačima za računarsku obradu.[16][17][18][19]

Primene metagenomike[uredi | uredi izvor]

Metagenomika ima potencijal da unapredi znanje u širokom spektru oblasti. Takođe se može primeniti za rešavanje praktičnih izazova u medicini, inženjeringu, poljoprivredi, održivosti i ekologiji.

Poljoprivreda[uredi | uredi izvor]

Zemljišta u kojima rastu biljke naseljeni su mikrobnim zajednicama, pri čemu jedan gram zemljišta sadrži oko 1-10 milijardi mikrobnih ćelija koje daju oko jedne gigabaze sekvenci.[20] Mikrobne zajednice koje naseljavaju zemljište su jedne od najsloženijih poznatih nauci, ali su i dalje nedovoljno istražene, uprkos svom ekonomskom značaju. [21] Konzorcijumi mikroorganizama imaju veliki značaj u ekosistemima jer obezbeđuju nutrijente neophodne za rast biljaka (uključujući fiksaciju atmosferskog azota), obnavljaju hranljive supstance, suzbijaju bolesti i omogućavaju sekvestraciju gvožđa i drugih metala. Strategije funkcionalne metagenomike se koriste za istraživanje interakcija između biljaka i mikroba jer se mikrobne zajednice izučavaju bez gajenja.[22][23] Metagenomski pristup izučavanju mikroorganizama koji žive u zemljištu olakšava otkrivanje bolesti u ratarstvu i stočarstvu. Takođe, unapređuje poljoprivredne prakse iskorišćavanjem veze između mikroba i biljaka.[18]

Biogorivo[uredi | uredi izvor]

Biogoriva su goriva proizvedena iz prerade biomase, kao što je prerada celuloze koja se nalazi u stabljikama kukuruza i drugim oblicima biomase u celulozni etanol.[18] Ovaj proces zavisi od mikrobnih konzorcijuma (udruženja) koji transformišu celulozu u šećere, a zatim i od fermentacije šećera u etanol. Mikrobi takođe proizvode različite izvore energije uključujući metan i vodonik.[18]

Biotehnologija[uredi | uredi izvor]

Mikrobne zajednice proizvode širok spektar biološki aktivnih hemikalija koje mikroorganizmi koriste za komunikaciju ili kompetitivnu prednost. Mnogi od lekova koji se danas koriste su izvorno izolovani iz mikroorganizama; skori napredak u istraživanju bogatih genetičkih resursa nekultivisanih mikroba doveo je do otkrića novih gena, enzima i prirodnih proizvoda.[24][25] Primena metagenomike omogućila je razvoj i osnovnih i finih hemikalija, agrohemikalija i farmaceutskih proizvoda gde se korist primene enzimski katalizovane hiralne sinteze sve više prepoznaje.[26]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Hugenholtz, Philip; Goebel, Brett M.; Pace, Norman R. (1998-09-15). „Impact of Culture-Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity”. Journal of Bacteriology (na jeziku: engleski). 180 (18): 4765—4774. ISSN 0021-9193. PMC 107498 Slobodan pristup. PMID 9733676. doi:10.1128/JB.180.18.4765-4774.1998. 
  2. ^ Marco, Diana E. (2011). Metagenomics: current innovations and future trends. Norfolk: Caister academic press. ISBN 978-1-904455-87-5. 
  3. ^ Eisen, Jonathan A (2007-03-13). Simon Levin, ur. „Environmental Shotgun Sequencing: Its Potential and Challenges for Studying the Hidden World of Microbes”. PLoS Biology (na jeziku: engleski). 5 (3): e82. ISSN 1545-7885. PMC 1821061 Slobodan pristup. PMID 17355177. doi:10.1371/journal.pbio.0050082. 
  4. ^ Handelsman, Jo; Rondon, Michelle R.; Brady, Sean F.; Clardy, Jon; Goodman, Robert M. (1998). „Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products”. Chemistry & Biology (na jeziku: engleski). 5 (10): R245—R249. doi:10.1016/S1074-5521(98)90108-9. 
  5. ^ Chen, Kevin; Pachter, Lior (2005). „Bioinformatics for Whole-Genome Shotgun Sequencing of Microbial Communities”. PLoS Computational Biology (na jeziku: engleski). 1 (2): e24. ISSN 1553-734X. PMC 1185649 Slobodan pristup. PMID 16110337. doi:10.1371/journal.pcbi.0010024. 
  6. ^ Béjà, Oded; Suzuki, Marcelino T.; Koonin, Eugene V.; Aravind, L.; Hadd, Andrew; Nguyen, Linh P.; Villacorta, Rachel; Amjadi, Mojgan; Garrigues, Corey (2000). „Construction and analysis of bacterial artificial chromosome libraries from a marine microbial assemblage”. Environmental Microbiology (na jeziku: engleski). 2 (5): 516—529. ISSN 1462-2912. doi:10.1046/j.1462-2920.2000.00133.x. 
  7. ^ Segata, Nicola; Boernigen, Daniela; Tickle, Timothy L; Morgan, Xochitl C; Garrett, Wendy S; Huttenhower, Curtis (2013). „Computational meta'omics for microbial community studies”. Molecular Systems Biology (na jeziku: engleski). 9 (1). ISSN 1744-4292. PMC 4039370 Slobodan pristup. PMID 23670539. doi:10.1038/msb.2013.22. 
  8. ^ Tyson, Gene W.; Chapman, Jarrod; Hugenholtz, Philip; Allen, Eric E.; Ram, Rachna J.; Richardson, Paul M.; Solovyev, Victor V.; Rubin, Edward M.; Rokhsar, Daniel S. (2004). „Community structure and metabolism through reconstruction of microbial genomes from the environment”. Nature (na jeziku: engleski). 428 (6978): 37—43. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature02340. 
  9. ^ Poinar, Hendrik N.; Schwarz, Carsten; Qi, Ji; Shapiro, Beth; MacPhee, Ross D. E.; Buigues, Bernard; Tikhonov, Alexei; Huson, Daniel H.; Tomsho, Lynn P. (2006-01-20). „Metagenomics to Paleogenomics: Large-Scale Sequencing of Mammoth DNA”. Science (na jeziku: engleski). 311 (5759): 392—394. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1123360. 
  10. ^ Rodrigue, Sébastien; Materna, Arne C.; Timberlake, Sonia C.; Blackburn, Matthew C.; Malmstrom, Rex R.; Alm, Eric J.; Chisholm, Sallie W. (2010-07-28). Gilbert, Jack Anthony, ur. „Unlocking Short Read Sequencing for Metagenomics”. PLoS ONE (na jeziku: engleski). 5 (7): e11840. ISSN 1932-6203. PMC 2911387 Slobodan pristup. PMID 20676378. doi:10.1371/journal.pone.0011840. 
  11. ^ Schuster, Stephan C (2008). „Next-generation sequencing transforms today's biology”. Nature Methods (na jeziku: engleski). 5 (1): 16—18. ISSN 1548-7091. doi:10.1038/nmeth1156. 
  12. ^ „Metagenomics versus Moore's law”. Nature Methods (na jeziku: engleski). 6 (9): 623—623. 2009. ISSN 1548-7091. doi:10.1038/nmeth0909-623. 
  13. ^ Wooley, John C.; Godzik, Adam; Friedberg, Iddo (2010-02-26). „A Primer on Metagenomics”. PLOS Computational Biology (na jeziku: engleski). 6 (2): e1000667. ISSN 1553-7358. PMC 2829047 Slobodan pristup. PMID 20195499. doi:10.1371/journal.pcbi.1000667. 
  14. ^ Hess, Matthias; Sczyrba, Alexander; Egan, Rob; Kim, Tae-Wan; Chokhawala, Harshal; Schroth, Gary; Luo, Shujun; Clark, Douglas S.; Chen, Feng (2011-01-28). „Metagenomic Discovery of Biomass-Degrading Genes and Genomes from Cow Rumen”. Science (na jeziku: engleski). 331 (6016): 463—467. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1200387. 
  15. ^ MetaHIT Consortium; Qin, Junjie; Li, Ruiqiang; Raes, Jeroen; Arumugam, Manimozhiyan; Burgdorf, Kristoffer Solvsten; Manichanh, Chaysavanh; Nielsen, Trine; Pons, Nicolas (2010). „A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing”. Nature (na jeziku: engleski). 464 (7285): 59—65. ISSN 0028-0836. PMC 3779803 Slobodan pristup. PMID 20203603. doi:10.1038/nature08821. 
  16. ^ Segata, Nicola; Boernigen, Daniela; Tickle, Timothy L; Morgan, Xochitl C; Garrett, Wendy S; Huttenhower, Curtis (2013). „Computational meta'omics for microbial community studies”. Molecular Systems Biology (na jeziku: engleski). 9 (1). ISSN 1744-4292. PMC 4039370 Slobodan pristup. PMID 23670539. doi:10.1038/msb.2013.22. 
  17. ^ Paulson, Joseph N; Stine, O Colin; Bravo, Héctor Corrada; Pop, Mihai (2013). „Differential abundance analysis for microbial marker-gene surveys”. Nature Methods (na jeziku: engleski). 10 (12): 1200—1202. ISSN 1548-7091. PMC 4010126 Slobodan pristup. PMID 24076764. doi:10.1038/nmeth.2658. 
  18. ^ a b v g Committee on Metagenomics: Challenges and Functional Applications, National Research Council (2007-05-24). The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Washington, D.C.: National Academies Press. ISBN 978-0-309-10676-4. doi:10.17226/11902. 
  19. ^ Oulas, Anastasis; Pavloudi, Christina; Polymenakou, Paraskevi; Pavlopoulos, Georgios A.; Papanikolaou, Nikolas; Kotoulas, Georgios; Arvanitidis, Christos; Iliopoulos, loannis (2015). „Metagenomics: Tools and Insights for Analyzing Next-Generation Sequencing Data Derived from Biodiversity Studies”. Bioinformatics and Biology Insights (na jeziku: engleski). 9: BBI.S12462. ISSN 1177-9322. PMC 4426941 Slobodan pristup. PMID 25983555. doi:10.4137/BBI.S12462. 
  20. ^ Vogel, Timothy M.; Simonet, Pascal; Jansson, Janet K.; Hirsch, Penny R.; Tiedje, James M.; van Elsas, Jan Dirk; Bailey, Mark J.; Nalin, Renaud; Philippot, Laurent (2009). „TerraGenome: a consortium for the sequencing of a soil metagenome”. Nature Reviews Microbiology (na jeziku: engleski). 7 (4): 252—252. ISSN 1740-1534. doi:10.1038/nrmicro2119. 
  21. ^ „TerraGenome international sequencing consortium.”. 30. 12. 2011. 
  22. ^ Marco, Diana E. (2010). Metagenomics: theory, methods, and applications. Norfolk: Caister academic press. ISBN 978-1-904455-54-7. 
  23. ^ Bringel, Françoise; Couée, Ivan (2015-05-22). „Pivotal roles of phyllosphere microorganisms at the interface between plant functioning and atmospheric trace gas dynamics”. Frontiers in Microbiology. 06. ISSN 1664-302X. PMC 4440916 Slobodan pristup. PMID 26052316. doi:10.3389/fmicb.2015.00486. 
  24. ^ Simon, Carola; Daniel, Rolf (2011-02-15). „Metagenomic Analyses: Past and Future Trends”. Applied and Environmental Microbiology (na jeziku: engleski). 77 (4): 1153—1161. ISSN 0099-2240. PMC 3067235 Slobodan pristup. PMID 21169428. doi:10.1128/AEM.02345-10. 
  25. ^ Simon, Carola; Daniel, Rolf (2009). „Achievements and new knowledge unraveled by metagenomic approaches”. Applied Microbiology and Biotechnology (na jeziku: engleski). 85 (2): 265—276. ISSN 0175-7598. PMC 2773367 Slobodan pristup. PMID 19760178. doi:10.1007/s00253-009-2233-z. 
  26. ^ Marco, Diana E. (2010). Metagenomics: theory, methods, and applications. Norfolk: Caister academic press. ISBN 978-1-904455-54-7. 
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Метагеномика&oldid=27773633”