211service.com
Metagenomica gedefinieerd
Dit voorjaar heeft de National Research Council een rapport uitgebracht met de titel The New Science of Metagenomics: Revealing the Secrets of Our Microbial Planet. Voor velen lijkt de term metagenomics misschien abstract - het klinkt tenslotte als metafysica. Dus wat is microbiële metagenomica en wat is de relevantie ervan voor de toekomst van biologie, biologische engineering en biotechnologie?
Conventioneel genomisch onderzoek naar microörganismen bepaalt de DNA-sequenties van individuele microben door gecultiveerde stammen te onderzoeken. In metagenomica wordt DNA-sequentie-informatie in situ uit volledige microbiële gemeenschappen geëxtraheerd. Metagenomische benaderingen gebruiken deze bulkgegevens om onderliggende eigenschappen van zowel individuele microben als microbiële gemeenschappen als geheel af te leiden.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2007
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Metagenomics bevordert het begrip van complexe microbiële systemen op verschillende manieren. Inspanningen voor het kweken van microben zijn er niet in geslaagd om veel van de micro-organismen te herstellen die overheersen in een verscheidenheid aan natuurlijke en door de mens gemaakte omgevingen. De meerderheid van de bestaande microbiële soorten en hun gedrag vertegenwoordigen daarom een enorm biologisch terra incognita. Metagenomische benaderingen, die de noodzaak om individuele microbiële stammen te zuiveren en te cultiveren omzeilen, maken het gemakkelijker om genoomsequentie-informatie op te halen uit ongrijpbare microbiële soorten. Een tweede, en misschien wel belangrijker, punt is dat microbiële soorten over het algemeen niet voorkomen als afzonderlijke stammen of zuivere culturen. Integendeel, een bepaalde microbiële verzameling kan bestaan uit honderden verschillende soorten, die elk een significante genetische variabiliteit vertonen. De biologische betekenis en functionele gevolgen van deze enorme biodiversiteit binnen en tussen soorten blijven onduidelijk. Metagenomische benaderingen maken een directe beoordeling van de diversiteit van gemeenschappen mogelijk en leveren datasets die relevant zijn voor zowel het meten als het modelleren van biologische processen.
Microbiële gemeenschappen bij mensen zullen ongetwijfeld intensief worden bestudeerd met behulp van metagenomische benaderingen. Het complexe samenspel tussen menselijk genotype en fenotype, en de bijbehorende samenstelling en respons van het microbioom, wordt al duidelijker (zie Onze Microbiële Menagerie) . Maar andere toepassingen van metagenomica zullen ook belangrijk zijn. Energietoepassingen, waaronder microbieel geproduceerde biobrandstoffen en nieuwe processen voor biomassaconversie, zijn hiervan een goed voorbeeld. De studie van antropogene effecten op microbiële processen die de massabalans van planetaire koolstof- en stikstofcycli reguleren, zal ook profiteren van metagenomica.
Net als de menselijke genoomsequentie vertegenwoordigen de resultaten van metagenomische analyse een soort onderdelenlijst die de functionele eigenschappen, onderlinge relaties en dynamiek van levende microbiële gemeenschappen niet volledig weergeeft. Ze beginnen ons analytisch bereik echter uit te breiden tot buiten het enkele organisme. Populatiegenomica, gemeenschapsmetabolisme en genomische vergelijkingen van verschillende microbiële gemeenschappen zijn nu allemaal mogelijk. We zijn niet zo ver verwijderd van een systeembiologie die een meer holistisch en nauwkeurig beeld zal geven van de hele hiërarchie van biologische systemen - van moleculaire, subcellulaire en intercellulaire interacties tot populaties, gemeenschappen en ecosystemen.
Ed DeLong is een professor in de Biological Engineering Division en de Department of Civil and Environmental Engineering aan het MIT.