Metagenomics

Article

May 18, 2022

Metagenomics là một lĩnh vực vi sinh và virus học xử lý DNA bộ gen được thu hồi trực tiếp từ các mẫu môi trường. Theo nghĩa rộng, nó còn được gọi là hệ gen môi trường, hệ sinh thái học, hoặc hệ gen cộng đồng. Nó còn được gọi là phân tích Metagenomic, hoặc đơn giản là Metagenome. Phân tích bộ gen vi sinh vật thông thường yêu cầu quá trình tách và nuôi cấy một chủng đơn lẻ từ mẫu môi trường, nhưng phân tích hệ gen không trải qua quá trình này và chiết xuất ADN bộ gen trực tiếp từ cộng đồng vi sinh vật (hệ vi khuẩn). Sau đó, giải trình tự ADN được thực hiện với ADN có nguồn gốc từ các chủng hỗn hợp khác nhau. Do đó, có thể thu được thông tin bộ gen của vi sinh vật thuộc các dòng khó nuôi / không nuôi cấy, điều mà phương pháp thông thường là dựa vào nuôi cấy trong phân tích hệ gen là rất khó. Theo một giả thuyết, người ta ước tính rằng hơn 99% vi khuẩn sống trên trái đất là những chủng không thể được nuôi cấy một mình, và phân tích metagenomic có thể làm sáng tỏ một số lượng khổng lồ vi khuẩn và gen không xác định bị chôn vùi trong môi trường. như một phương pháp. Chi phí giải trình tự DNA ngày càng rẻ hơn qua từng năm, và người ta hy vọng rằng nghiên cứu phân tích hệ gen chi tiết và quy mô lớn hơn sẽ được tiến hành. Theo nghĩa hẹp, phân tích hệ gen đề cập đến việc phân tích thông tin trình tự của toàn bộ bộ gen thu được bằng cách giải trình tự bằng súng bắn, và được phân biệt với các trình tự khuếch đại (chẳng hạn như trình tự thẻ 16S rRNA) đã trải qua PCR bằng cách thu hẹp gen mục tiêu, nhưng sau này. Có thể được đưa vào phân tích đo lường theo nghĩa rộng. Ngày nay, nhiều hệ vi khuẩn bản địa khác nhau như nước biển và đất, ruột và khoang miệng, vi khuẩn xương cá voi ở đáy biển, màng sinh học trong nước thải mỏ, vi khuẩn cộng sinh động thực vật, cơ sở xử lý nước thải, tảng băng ở Nam Cực, suối nước nóng, lớp sâu. Phân tích metagenome cho nhiều loại môi trường chẳng hạn như lớp vỏ đã được báo cáo như một tờ giấy.

Từ nguyên

Thuật ngữ metagenomics được đặt tên bằng cách thêm từ "meta" vào "genome" để biểu thị các kích thước cao hơn. Ý tưởng là có thể thu thập và phân tích tổng hợp (meta-) các trình tự gen của bộ gen từ môi trường, tương tự như nghiên cứu bộ gen của một sinh vật đơn lẻ. Thuật ngữ này lần đầu tiên được sử dụng trong bài báo vào năm 1998 bởi Jo Handelsman, Jon Clardy, Robert M. Goodman, Sean F Brady và những người khác. Năm 2005, Kevin Chen và Lior Pachter định nghĩa phân tích hệ gen là "một ứng dụng của công nghệ gen hiện đại không yêu cầu phân lập hoặc nuôi cấy từng loại nấm trong phòng thí nghiệm."

Lịch sử và nền tảng

Giải trình tự DNA truyền thống ban đầu yêu cầu nuôi cấy một dòng vi khuẩn duy nhất. Tuy nhiên, các nghiên cứu phân tích metagenomic ban đầu đã chỉ ra rằng nhiều môi trường có nhiều vi sinh vật không thể nuôi cấy được và rất khó trình tự. Những nghiên cứu ban đầu này tập trung vào việc kiểm tra trình tự gen 16S rRNA. Mặc dù trình tự gen này tương đối ngắn và được bảo tồn cao trong các loài sinh vật nhân sơ, nhưng những thay đổi được nhìn thấy giữa các loài khác nhau, giúp việc kiểm tra một cách có hệ thống các cộng đồng vi sinh vật trong môi trường dễ dàng hơn so với trình tự toàn bộ bộ gen có thể được thực hiện. Trình tự DNA của chuỗi gen 16S rRNA đã được thực hiện trên nhiều mẫu môi trường, và kết quả là, nhiều trình tự không phù hợp với loài đã biết đang được nuôi cấy đã được tìm thấy. Điều này cho thấy rằng có rất nhiều chủng vi sinh vật chưa được nuôi cấy trong môi trường. Trình tự gen 16S rRNA trong môi trường không nuôi cấy theo cách này?