Кіріспе

Қоршаған ортада табылған гендерді зерттеу. Қоршаған ортаның үлгілерінен бірнеше мың негіз жұбынан ұзын ДНК тізбектерін алу бұрын өте қиын болды. Молекулалық биологиялық техникадағы соңғы жетістіктер бактериялық жасанды хромосомаларда (БЖХ) кітапханалар құруға мүмкіндік берді, бұл молекулалық клондау үшін тиімдірек векторларды ұсынды. PacBio RSII және PacBio Sequel (Pacific Biosciences), Nanopore MinION, GridION, PromethION (Oxford Nanopore Technologies) сияқты ұзақ оқылымды реттілеу технологиялары ұзын фрагменттерді реттілеуге және құрастыру процесін жеңілдетуге қосымша мүмкіндік береді.

Биоинформатика

Метагеномикалық эксперименттерден алынған деректер өте көп көлемді әрі табиғаты бойынша қателі, 10 000-ға дейін түрді көрсететін фрагменттелген деректерді қамтиды.

Тізбелік алдын ала сүзгілеу

Метагеномдық деректерді талдаудың алғашқы қадамы – белгілі бір алдын ала сүзгілеу шараларын орындау, оның ішінде қайталама, төмен сапалы тізбектерді және эукариоттардан болу мүмкіндігі жоғары тізбектерді (әсіресе адамнан алынған метагеномдарда) жою қажет. Ластануға себеп болатын эукариоттық геномдық ДНК тізбектерін анықтау және жою үшін Eu Detect және DeConseq сияқты әдістер бар.

Құрастыру

Геномдық және метагеномдық жобалардың ДНК тізбегінің деректері негізінен бірдей, бірақ геномдық тізбек деректері жоғары жабындылықты ұсынады, ал метагеномдық деректер көбінесе қайталамасыз болады. Анықтамалық геномдарды қолдану зерттеушілерге ең көп кездесетін микроб түрлерінің жиналымын жақсартуға мүмкіндік береді, бірақ бұл тәсіл тізбектелген геномдары бар микроб филаларының шағын тобымен шектеледі. Ұқсастықтың консервативті бағалауын жасауға қабілетті жылдам құрал қолжетімді етілді. FALCON авторларының сөзіне сүйенсек, ол жад пен жылдамдыққа әсер етпей, босаңсытылған шектік мәндерді және өңдеу қашықтықтарын қолдана алады.

Салыстырмалы метагеномика

Метагеномдар арасындағы салыстырмалы талдаулар күрделі микробтық қауымдастықтардың функциясын және олардың иегер денсаулығындағы рөлін түсінуге қосымша мәлімет береді, сондай-ақ Ghosh және авторлардың HabiSign тәсілі де осыған көмектеседі. Аталған зерттеуде тетрануклеотидтерді пайдалану үлгілеріндегі айырмашылықтарды арнайы орталардан шыққан гендерді (немесе метагеномдық оқуларды) анықтау үшін пайдалануға болатыны көрсетілген. Бұған қоса, TriageTools сияқты әдістер корреляцияға негізделген график құру алгоритмін қолданады, ол талдауға алынған микробтық қауымдастықтардың (таксономиялық құрамы тұрғысынан) айырмашылықтарын жылдам визуализациялауға ғана емес, сонымен қатар олардың арасындағы микробтық өзара әрекеттесулер туралы түсінік беруге мүмкіндік береді. Ерекше айта кетерлік жайт, бұл график құру алгоритмі әртүрлі таксономиялық топтардың мөлшерін салыстырудың орнына, микробтар арасындағы ықтимал өзара әрекеттесу үлгілеріне сүйене отырып, метагеномдарды топтастыруға да мүмкіндік береді. Сонымен қатар, бұл құралда интерактивті графикалық интерфейс арқылы микробиомалар бойынша стандартты салыстырмалы талдаулар жүргізуге мүмкіндік беретін бірнеше функциялар бар.

Қоғамдық метаболизм

Көптеген бактериялық қоғамдастықтарда, табиғи немесе жасалған (мысалы, биореакторлар) жағдайда, метаболизмде (синтрофия) еңбектің айқын бөлінуі байқалады, онда кейбір организмдердің қалдықтары басқалары үшін метаболиттерге айналады. Бұл құбылыс Антарктиканың құрғақ аңғарларында да кездеседі.

Қолданбалар

Метагеномиканың көптеген салалардағы білімді дамытуға зор мүмкіндігі бар. Оны медицина, инженерия, ауыл шаруашылығы, экологиялық тұрақтылық және экология салаларындағы нақты мәселелерді шешу үшін де қолдануға болады.

Ауыл шаруашылығы

Өсімдіктер өсетін топырақтарда микробтық қауымдастықтар қоныстанды, бір грамм топырақта шамамен 109-1010 микробтық жасуша бар, олар бір гигабаза көлеміндегі генетикалық ақпараттан тұрады. Метагеномдық тәсілдер бұрын есілмеген немесе сирек кездесетін қауымдастық мүшелерінің қоректік заттар айналымындағы және өсімдіктердің өсуін жақсартудағы рөлін анықтауға мүмкіндік береді, соның арқасында егін және мал шаруашылығындағы ауруларды ертерек анықтауға және микроорганизмдер мен өсімдіктер арасындағы байланысты пайдалана отырып, егін сапасын арттатуға жаңаша көзқарас қалыптасады.

Экология

Метагеномика қоршаған ортаның функционалдық экологиясына құнды түсініктер бере алады. Австралиялық теңіз арыстандарының нәжісінде табылған бактериялық консорциумдардың метагеномдық талдауы, қоректік заттарға бай теңіз арыстанының нәжісі жағалау экожүйелері үшін маңызды қоректік көз болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл себебі, нәжіспен бірге шығарылатын бактериялар нәжістегі қоректік заттарды биожетімді формаға дейін ыдыратып, оларды азық тізбегіне сіңіруге мүмкіндік береді. ДНК тізбектеуді судағы түрлерді, ауадан сүзілген қалдықтарды, топырақ үлгілерін немесе жануарлардың нәжісін анықтау үшін, тіпті қанды тамақтан алынған диеталық элементтерді анықтау үшін де кеңінен қолдануға болады. Бұл инвазивті және жойылу қаупі төнген түрлердің таралу ареалын анықтауға және маусымдық популяцияларды қадағалауға мүмкіндік береді.

Қоршаған ортаны қалпына келтіру

Метагеномика ластаушы заттардың экожүйелерге тигізетін әсерін бақылау және ластанған ортаны тазалау стратегияларын жақсартуға көмектеседі. Микробтық қауымдастықтардың ластаушы заттарға қалай бейімделетінін жақсы түсіну, ластанған жерлердің қалпына келу әлеуетін бағалауды жетілдіреді және биоаугментация немесе биостимуляция тәжірибелерінің сәтті болу ықтималдығын арттырады. Зерттеу мақсаты – асқазан-ішек бактерияларының тереңдігі мен филогенетикалық әртүрлілігін жіктеу болды. Illumina GA тізбектелген деректері мен SOAPdenovo, арнайы қысқа тізбектерді жинауға бағытталған de Bruijn графигіне негізделген құралды пайдалана отырып, олар 500 bp-ден асатын 6,58 миллион контиг жасады, контигтердің жалпы ұзындығы 10,3 Гб және N50 ұзындығы 2,2 кб құрады. Зерттеу нәтижесінде екі бактериялық бөлімше – Bacteroidetes және Firmicutes, алынған ішек бактерияларында басымдық құратын белгілі филогенетикалық топтардың 90%-дан астамын құрайтыны анықталды. Ішектегі гендердің жиілігін пайдалана отырып, зерттеушілер ішек денсаулығы үшін маңызды 1244 метагеномдық кластерді анықтады. Бұл кластерлерде екі түрлі функция бар: тұрмыстық және ішекке тән. Тұрмыстық гендердің кластерлері барлық бактериялар үшін қажетті және көбінесе негізгі метаболикалық жолдарда, соның ішінде орталық көміртек метаболизмі мен аминқышқылдарының синтезінде маңызды рөл атқарады. Ішекке тән функцияларға жануарлардың ақуыздарына жабысу және глобустық гликолипидтерден қанттарды алу жатады. Қабынулы ішек синдромымен ауыратын пациенттерде, осы синдроммен ауырмаған адамдарға қарағанда 25%-ға аз гендер және бактериялық әртүрлілік байқалды, бұл пациенттердің ішек микробиомының өзгеруі осы жағдаймен байланысты болуы мүмкін екенін көрсетеді. Адам микробиомы жобасында (HMP) ішек микробиологиялық қауымдастықтары жоғары өнімді ДНК тізбектеу арқылы зерттелді. HMP көрсеткендей, жеке микробтық түрлерден айырмашылығы, көптеген метаболикалық процестер барлық денелік орталарда әртүрлі жиілікпен кездеседі. Адам микробиомы жобасының аясында 102 адамнан алынған жеті негізгі денелік орындағы 649 метагеномның микробтық қауымдастықтары зерттелді. Метагеномдық талдау микробиомдағы 168 функционалдық модуль мен 196 метаболикалық жол арасындағы нишалық ерекшеліктердің өзгеруін анықтады. Оларға ішектегі гликозаминогликанның ыдырауы, сондай-ақ фосфаттар мен аминқышқылдарының артқы вагинальдық қуыста хост фенотипіне (вагинальдық pH) байланысты тасымалдануы кірді. HMP метагеномиканың диагностика және дәлелге негізделген медицинадағы пайдалылығын көрсетті. Осылайша, метагеномика жеке медицина саласындағы маңызды мәселелерді шешуге қабілетті құрал болып табылады. Жануарларда метагеномика олардың ішек микробиомын сипаттауға және антибиотиктерге төзімді бактерияларды анықтауға пайдаланылуы мүмкін. Бұл жануарлар дүниесінен шаруашылық жануарларына және адамдарға аурулардың таралуын бақылауға әсер етуі мүмкін.

Жұқпалы ауруларды диагностикалау

Жұқпалы және жұқпалы емес ауруларды ажырату және инфекцияның түпкі себебін анықтау қиынға соғуы мүмкін. Мысалы, энцефалит жағдайларының жартысынан астамы, ең заманауи клиникалық зертханалық әдістерді қолданып, жан-жақты тексерілгеніне қарамастан, диагнозы қойылмайды. Клиникалық метагеномдық секвенирлеу инфекцияны диагностикалаудың жоғары сезімтал және жылдам әдісі ретінде үміт береді. Бұл әдіс науқастың үлгісінен табылған генетикалық материалды барлық белгілі микроскопиялық адам патогендерінің, сондай-ақ мыңдаған бактериялық, вирус, саңырауқұлақ және паразиттік организмдердің дерекқорымен, антибиотикке төзімділік гендерінің тізбектерімен және олармен байланысты клиникалық белгілер туралы деректер базасымен салыстыру арқылы жүзеге асырылады.

Арбовирусты қадағалау

Метагеномика – масалар мен қоңыздар сияқты қанмен қоректенетін жәндіктер арқылы тарайтын патогендердің әртүрлілігі мен экологиясын анықтаудағы құнды құрал. Қоғамдық денсаулық сақтау органдары мен ұйымдары арбовирустарды бақылау үшін метагеномиканы тұрақты түрде пайдаланады.