Iniciación a la metagenómica, qué es, para qué sirve y ¿Por qué se habla cada vez más de ella?

ISSN 2660-9134 | Febrero 2021 | Volumen 7 | Artículo 2
La cartografía y los mapas han posibilitado a la humanidad establecer rutas comerciales, elegir el lugar más idóneo para asentarse, o preparar robos a bancos entre otras cosas, llegando los mapas a ser objetos de gran valor por la información que aportan. Hasta no hace mucho tiempo, esta información geográfica ha estado almacenada en mapas físicos (papel), pero con la llegada de los satélites y la tecnología GPS la superficie terrestre está totalmente mapeada y guardada en “la nube”. En la ciencia e investigación a nivel microbiológico ha ocurrido un salto similar gracias a la metagenómica, una rama de conocimiento que, a partir de la secuenciación de ADN, nos está ayudando a extraer información sobre las poblaciones de bacterias y otros microrganismos, y a entender mejor su influencia en nuestra vida.

En biología molecular se ha nombrado como “ómica” al estudio detallado de moléculas concretas (proteómica para las proteínas, genómica para los genes, etc.). Dentro de las ómicas, la metagenómica (Meta- todos, -genómica genes) estudia todos los genes pertenecientes a los microrganismos presentes en una muestra (bacterias, virus y/o células eucariotas); a ese conjunto de microorganismos presente en cualquier ecosistema se le denomina microbiota.
Dra. Masmudi y el Dr. Khan
Figura 1. Toma y procesamiento de muestras. Realizada por Adrián Álvarez
Realizar estudios completos de la microbiota de un ecosistema no es sencillo ya que existen una gran cantidad de microorganismos que no somos capaces de cultivar en los laboratorios. Por lo tanto, disponer de una técnica capaz de realizar esta tarea supone una gran ventaja, y posibilita tener una big-picture o visión de conjunto de los microrganismos que co-habitan. De forma similar a como nuestros rasgos raciales (pelo, nariz, ojos, etc.) vienen determinados por la información almacenada en nuestros genes, es posible determinar qué especies de bacterias, y en qué número, están presentes en una muestra dada. Estos estudios de población bacteriana ya eran posibles con el análisis de un gen concreto (16S RNA ribosómico). Sin embargo, el analizar la presencia y cantidad de toda la carga genética de un ecosistema nos puede ayudar a extraer otras conclusiones como: el nivel de resistencia a antibióticos (importante en quirófanos y hospitales), la degradación de nutrientes, la generación de compuestos volátiles (en el diseño de alimentos y vinos más sabrosos y seguros), o incluso establecer diferencias en la microbiota intestinal entre personas sanas y enfermas.

Los análisis metagenómicos se pueden realizar, como hemos comentado anteriormente, basándonos en el estudio de uno o unos pocos genes, es lo que se denomina metabarcoding, o mediante el estudio de todos los genes, técnica denomina Shotgun - escopeta - (figura 1). Esta última hace referencia a la manera en que se analiza el ADN, pasando de información física (la doble hélice de ADN) a información digital. Imitando la ruptura que produciría un arma poco precisa como una escopeta, las cadenas de ADN se rompen al azar en múltiples fragmentos de pequeño tamaño, adecuados para que los secuenciadores extraigan sus secuencias.

Para tener una visión general del proceso, el flujo de un estudio metagenómico puede dividirse en varias fases (figura 2), cada una de ellas con un objetivo principal, pero con gran cantidad de consideraciones que repercutirán en el resultado final.

I. Procesamiento de la muestra:

Figura 2. Resumen de los tipos de datos biólogicos y las fuentes en las que se pueden consultar. Figura tomada de Cath Brooksbanks y colaboradores: The European Bioinformatics Institute’s data resources. Nucleic Acid Research, 42 (2013).
Tras seleccionar qué tipo y cuántas muestras se analizarán, destacamos brevemente diversas decisiones que afectan al ADN extraído y a los resultados del estudio. Si se usan o no protocolos de enriquecimiento (útil si se busca estudiar microrganismos poco frecuentes). Si se emplean perlas durante la lisis bacteriana (conocido como “bead-beating”, la agitación perlas mejora la extracción de ADN de bacterias con paredes bacterianas más difíciles de romper). Si se decide o no amplificar la cantidad de ADN por PCR (útil si no es sencillo obtener mucha cantidad de ADN), o el tipo de secuenciador en el que se procesarán las muestras.

II. Procesado de las secuencias

Figura 2. Resumen de los tipos de datos biólogicos y las fuentes en las que se pueden consultar. Figura tomada de Cath Brooksbanks y colaboradores: The European Bioinformatics Institute’s data resources. Nucleic Acid Research, 42 (2013).
Si el genoma (conjunto de genes) de estos microrganismos fuera un puzle, las “lecturas” (las secuencias obtenidas del secuenciador) equivaldrían a las piezas del puzle. Limpiar las lecturas/reads repetidas, con mala calidad, o sospechosas de proceder de contaminaciones es crucial para obtener buenos resultados. Estas pequeñas lecturas pueden ensamblarse en grupos mayores (ej: 20 piezas que encajan juntas en el puzle) a modo de andamio, son los llamados contigs.

III. Extracción de datos

Figura 2. Resumen de los tipos de datos biólogicos y las fuentes en las que se pueden consultar. Figura tomada de Cath Brooksbanks y colaboradores: The European Bioinformatics Institute’s data resources. Nucleic Acid Research, 42 (2013).
A partir de los contigs es posible tratar de recuperar genomas(completar puzles) de microrganismos desconocidos y/o no cultivables en un laboratorio en un proceso llamado “binning”. Mediante el uso de programas bioinformáticos se pueden obtener datos sobre la diversidad de especies en la microbiota, qué actividades pueden realizar, o centrarse en detectar genes concretos asociados a virulencia.

IV. Análisis de datos y obtención de resultados

Figura 2. Resumen de los tipos de datos biólogicos y las fuentes en las que se pueden consultar. Figura tomada de Cath Brooksbanks y colaboradores: The European Bioinformatics Institute’s data resources. Nucleic Acid Research, 42 (2013).
Usando análisis estadísticos y ciencia de datos sobre los resultados obtenidos podemos comprobar hipótesis, indagar sobre qué diferencia una muestra control de una muestra tratada (paciente, alimento, suelo, etc.), incluso llegar a desarrollar herramientas predictivas.

Desde que se usase por primera vez en 2004 esta tecnología ha tenido un crecimiento extraordinario, pero dada su corta edad y rápida transformación se enfrenta también a varios problemas importantes. El principal de ellos es la falta de estandarización en los métodos y programas (dificultando su reproducibilidad), seguido por la dificultad de acceso (coste económico, instalaciones) y la formación de profesionales capacitados para la interpretación de sus datos. 
Espero que este artículo te haya gustado, si continúas con ganas de saber más y quieres ampliar información no dejes de leer el artículo "Shotgun metagenomics, from sampling to analysis" publicado en la revista Nature Biotechnology en 2017 por Quince y colaboradores. Aprovecho para dejarte la imagen completa que anteriormente la he preferido diseccionar para facilitar su entendimiento.

Figura 2. Resumen de los tipos de datos biólogicos y las fuentes en las que se pueden consultar. Figura tomada de Cath Brooksbanks y colaboradores: The European Bioinformatics Institute’s data resources. Nucleic Acid Research, 42 (2013).
Figura 2

REFERENCIAS

[1] Quince, C., Walker, A.W., Simpson, J.T., Loman, N.J., Segata, N., 2017. Shotgun metagenomics, from sampling to analysis. Nat. Biotechnol. 35, 833–844. https://doi.org/10.1038/nbt.3935

Documentación

Autor: Adrián Alvarez Molina y coordinadora: Rocío Bautista Moreno para My Scientific Journal Bioinformatic 22/01/2020
 
Adrián Alvarez Molina
Adrián Alvarez MolinaRedactor My Scientific Journal
Doctorando en microbiología, resistencia a antibióticos, analista de datos, seguridad alimentaria
Rocío Bautista Moreno
Rocío Bautista MorenoCoordinadora My Scientific Journal
PhD Plataforma Andaluza de Bioinformática - SCBI Universidad de Málaga