Введение
Исследование генов, обнаруженных в окружающей среде.
Восстановление последовательностей ДНК длиной более нескольких тысяч пар оснований из образцов окружающей среды было очень сложным, пока недавние достижения в области молекулярно-биологических методов не позволили создать библиотеки в бактериальных искусственных хромосомах (БАК), предоставившие более эффективные векторы для молекулярного клонирования. Технологии секвенирования длинных прочтений, включая PacBio RSII и PacBio Sequel от Pacific Biosciences, а также Nanopore MinION, GridION, PromethION от Oxford Nanopore Technologies, представляют собой альтернативный способ получения длинных фрагментов секвенирования, что должно упростить процесс сборки генома.
Биоинформатика
Данные, полученные в ходе метагеномных экспериментов, одновременно огромны и по своей природе зашумлены, содержат фрагментированные данные, представляющие до 10 000 видов.
Предварительная фильтрация последовательности
Первый этап анализа метагеномных данных требует выполнения определенных этапов предварительной фильтрации, включая удаление избыточных, низкокачественных последовательностей и последовательностей, предположительно эукариотического происхождения (особенно в метагеномах человеческого происхождения). Методы удаления контаминирующих геномных последовательностей ДНК эукариот включают EuDetect и DeConseq.
Сборка
Данные о последовательности ДНК из геномных и метагеномных проектов в своей основе одинаковы, однако геномные данные обеспечивают более высокую полноту покрытия, а метагеномные данные обычно характеризуются высокой нередундантностью. Использование референсных геномов позволяет исследователям улучшить сборку наиболее распространенных видов микроорганизмов, но этот подход ограничен небольшим набором микробных типов, для которых доступны секвенированные геномы. Был разработан быстрый инструмент, способный выдавать консервативные оценки сходства. По утверждению авторов FALCON, он может использовать менее строгие параметры и расстояния редактирования, не снижая производительность по памяти и скорости.
Сравнительная метагеномика
Сравнительный анализ метагеномов может дать дополнительное понимание функционирования сложных микробных сообществ и их роли в здоровье хозяина, а также подход HabiSign, разработанный Ghosh et al. Последнее исследование также показало, что различия в паттернах использования тетрануклеотидов могут быть использованы для идентификации генов (или метагеномных ридов), происходящих из определенных сред обитания. Кроме того, некоторые методы, такие как TriageTools, реализуют алгоритм компоновки графов на основе корреляции, который не только облегчает быструю визуализацию различий в анализируемых микробных сообществах (с точки зрения их таксономического состава), но и предоставляет информацию о присущих им межмикробных взаимодействиях. Важно отметить, что этот алгоритм компоновки также позволяет группировать метагеномы на основе вероятных паттернов межмикробных взаимодействий, а не просто сравнивать значения обилия различных таксономических групп. В дополнение к этому, инструмент включает несколько интерактивных функций с графическим интерфейсом, позволяющих пользователям выполнять стандартный сравнительный анализ микробиомов.
Метаболизм в обществе
Во многих бактериальных сообществах, естественных или искусственных (таких как биореакторы), наблюдается значительное разделение труда в метаболизме (синтрофия), при котором отходы жизнедеятельности одних организмов служат метаболитами для других, и это также встречается в сухих долинах Антарктики.
Приложения
Метагеномика способна значительно расширить знания в самых разных областях. Её также можно применять для решения практических задач в медицине, инженерии, сельском хозяйстве, в области устойчивого развития и экологии.
Сельское хозяйство
Почвы, в которых растут растения, населены микробными сообществами, и в одном грамме почвы содержится около 10⁹–10¹⁰ микробных клеток, несущих примерно один гигабайт генетической информации. Метагеномные подходы, позволяя получить представление о роли ранее не культивируемых или редких представителей сообщества в круговороте питательных веществ и стимулировании роста растений, могут способствовать улучшению диагностики заболеваний сельскохозяйственных культур и животных, а также внедрению усовершенствованных агротехнических приемов, повышающих здоровье растений за счет использования взаимосвязи между микробами и растениями.
Экология
Метагеномика может предоставить ценную информацию о функциональной экологии природных сообществ. Метагеномный анализ бактериальных консорциумов, обнаруженных в экскрементах австралийских морских львов, позволяет предположить, что богатые питательными веществами фекалии морских львов могут быть важным источником питательных веществ для прибрежных экосистем. Это объясняется тем, что бактерии, выделяемые вместе с экскрементами, эффективно расщепляют содержащиеся в них питательные вещества до биодоступной формы, которая может включаться в пищевую цепь. Секвенирование ДНК также может быть использовано в более широком смысле для идентификации видов, присутствующих в водной среде, в отфильтрованном из воздуха мусоре, образцах почвы или экскрементах животных, и даже для определения состава диеты по анализу остатков пищи в крови. Это позволяет установить ареал распространения инвазивных и находящихся под угрозой исчезновения видов, а также отслеживать сезонные изменения численности популяций.
Реабилитация окружающей среды
Метагеномика может улучшить стратегии мониторинга воздействия загрязняющих веществ на экосистемы и очистки загрязненной среды. Углубленное понимание того, как микробные сообщества справляются с загрязнителями, повышает точность оценки потенциала восстановления загрязненных территорий и увеличивает вероятность успеха при проведении испытаний по биоаугментации или биостимуляции. В исследовании была предпринята попытка классифицировать глубину и филогенетическое разнообразие бактерий желудочно-кишечного тракта. Используя данные секвенирования Illumina GA и SOAPdenovo – инструмент, основанный на графе де Брюйна и специально разработанный для сборки коротких прочтений, – исследователи смогли получить 6,58 миллиона контигов длиной более 500 п.н., общей длиной контигов 10,3 Гб и длиной N50 2,2 кб. Исследование показало, что два отдела бактерий, Bacteroidetes и Firmicutes, составляют более 90% известных филогенетических категорий, доминирующих в дистальных отделах кишечника. На основе относительной частоты встречаемости генов в кишечнике, исследователи идентифицировали 1244 метагеномных кластера, критически важных для здоровья кишечника. В этих кластерах выделяются два типа функций: основные (хаус-кипинг) и специфичные для кишечника. Основные гены необходимы всем бактериям и часто играют ключевую роль в основных метаболических путях, включая центральный углеродный метаболизм и синтез аминокислот. Функции, специфичные для кишечника, включают адгезию к белкам хозяина и извлечение сахаров из гликолипидов серии Globo. У пациентов с синдромом раздраженного кишечника было обнаружено на 25% меньше генов и более низкое бактериальное разнообразие по сравнению с людьми, не страдающими этим синдромом, что позволяет предположить, что изменения в разнообразии кишечной микробиоты пациентов могут быть связаны с этим заболеванием. В рамках проекта «Микробиом человека» (HMP) кишечные микробные сообщества были исследованы с использованием высокопроизводительного секвенирования ДНК. HMP показал, что в отличие от отдельных видов микроорганизмов, многие метаболические процессы присутствуют во всех средах обитания организма с различной частотой. Микробные сообщества, представленные 649 метагеномами, полученными из семи основных участков тела 102 человек, были изучены в рамках проекта «Микробиом человека». Метагеномный анализ выявил различия в количестве, характерном для конкретной ниши, среди 168 функциональных модулей и 196 метаболических путей в микробиоме. К ним относятся деградация гликозаминогликанов в кишечнике, а также транспорт фосфатов и аминокислот, связанный с фенотипом хозяина (pH влагалища) в заднем своде влагалища. HMP продемонстрировал применимость метагеномики в диагностике и доказательной медицине. Таким образом, метагеномика является мощным инструментом для решения многих актуальных проблем в области персонализированной медицины. У животных метагеномика может быть использована для профилирования кишечной микробиоты и выявления бактерий, устойчивых к антибиотикам. Это имеет значение для мониторинга распространения заболеваний от диких животных к сельскохозяйственным животным и людям.
Диагностика инфекционных заболеваний
Различить инфекционные и неинфекционные заболевания, а также выявить основную этиологию инфекции, может быть затруднительно. Например, более чем в половине случаев энцефалита диагноз остается неустановленным, несмотря на всестороннее обследование с применением современных клинико-лабораторных методов. Клиническое метагеномное секвенирование представляется перспективным, чувствительным и быстрым методом диагностики инфекции, основанным на сравнении генетического материала, обнаруженного в образце пациента, с базами данных всех известных микроскопических патогенов человека, тысячами других бактериальных, вирусных, грибковых и паразитарных организмов, а также с базами данных генов, определяющих устойчивость к антимикробным препаратам, и связанными с ними клиническими проявлениями.
Наблюдение за арбовирусами
Метагеномика стала незаменимым инструментом для изучения разнообразия и экологии патогенов, переносимых кровососущими насекомыми, такими как комары и клещи. Специалисты и организации в области общественного здравоохранения регулярно используют метагеномику для надзора за арбовирусами.