Übersicht
Unter Metagenomik versteht man die Untersuchung von genetischem Material, das direkt aus Umwelt- oder klinischen Proben gewonnen wird, ohne dass eine Laborkultivierung erforderlich ist. Dieser Ansatz erfasst die gesamte genetische Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften, einschließlich Bakterien, Archaeen, Viren und Pilze – von denen die überwiegende Mehrheit nicht in Reinkultur gezüchtet werden kann. Durch die Sequenzierung der gesamten DNA, die aus dem Boden, dem Meerwasser, dem menschlichen Darm oder anderen Lebensräumen extrahiert wurde, bietet die Metagenomik einen kulturunabhängigen Einblick in die mikrobielle Zusammensetzung, das Stoffwechselpotenzial und die Dynamik der Gemeinschaft. Das Fachgebiet hat die Mikrobiologie revolutioniert, indem es das wahre Ausmaß der mikrobiellen Vielfalt auf der Erde enthüllte.
Methoden
Metagenomische Arbeitsabläufe lassen sich in zwei Hauptstrategien unterteilen. Amplikonsequenzierung (z. B. 16S-rRNA-Gensequenzierung) zielt auf konservierte Markergene ab, um die taxonomische Zusammensetzung zu profilieren. Shotgun Metagenomics sequenziert die gesamte DNA in der Probe und ermöglicht so funktionelle Genanalysen und genomaufgelöste Studien. Bioinformatik-Pipelines führen mithilfe von Datenbanken wie Kraken2, MetaPhlAn oder Kaiju Qualitätsbeschneidung, Wirts-DNA-Entfernung und taxonomische Klassifizierung durch. Für die funktionelle Profilerstellung werden Lesevorgänge mithilfe von Tools wie HUMAnN3 auf Genkataloge abgebildet. Fortgeschrittenere Ansätze fügen metagenomische Lesevorgänge mithilfe spezieller Assembler wie MEGAHIT oder metaSPAdes zu metagenomassemblierten Genomen (MAGs) zusammen. BinContigs werden dann nach Nukleotidzusammensetzung und -häufigkeit gruppiert, um nahezu vollständige Genome wiederherzustellen.
Anwendungen
Die Metagenomik hat tiefgreifende Auswirkungen auf Medizin, Ökologie und Biotechnologie. Das Projekt zum menschlichen Mikrobiom zeigte starke Zusammenhänge zwischen der mikrobiellen Zusammensetzung des Darms und Krankheiten wie Fettleibigkeit, entzündlichen Darmerkrankungen und Diabetes auf. Umweltmetagenomik entdeckt neuartige Enzyme für die industrielle Biotechnologie und überwacht mikrobielle Gemeinschaften in der [Wasser- und Lebensmittelmikrobiologie] (/guides/water-and-food-microbiology.html). Im klinischen Umfeld ermöglicht die Metagenomik einen unvoreingenommenen Nachweis von Krankheitserregern und die Überwachung antimikrobieller Resistenzgene in der [Bakteriengenetik](/guides/bakterielle-genetik.html). Das Feld wird mit Fortschritten in der Next-Generation-Sequenzierung weiter ausgebaut, die die tiefe metagenomische Sequenzierung immer erschwinglicher machen.
Praktisches Protokoll
Beginnen Sie für die Shotgun-Metagenomanalyse mit dem Qualitätstrimmen der Paired-End-Lesevorgänge: „fastp -i R1.fastq -I R2.fastq -o trimmed_R1.fastq -O trimmed_R2.fastq -q 20 -l 50 –detect_adapter_for_pe“. Entfernen Sie Host-Reads, indem Sie sie mit „Bowtie2“ am Wirtsgenom (z. B. Mensch mit „GRCh38“) ausrichten: „bowtie2 -x host_index -1 trimmed_R1.fastq -2 trimmed_R2.fastq –un-conc-gz host_removed -p 8“. Die taxonomische Klassifizierung mit Kraken2 erstellt eine Datenbank mit Bakterien, Archaeen, Viren und Menschen: „kraken2-build –standard –db DBDIR“. Classify liest: „kraken2 --db DBDIR –report report.txt –threads 8 –paired host_removed_1.fastq host_removed_2.fastq > klassifiziert.txt“. Verfeinern Sie Häufigkeitsschätzungen mit Bracken: „bracken -d $DBDIR -i report.txt -o bracken_report.txt -r 150 -l S“. Für die Häufigkeit auf Artenebene verwenden Sie „-l S“. für Gattungsebene verwenden Sie „-l G“. Funktionelles Profiling mit HUMAnN3-Karten liest UniRef-Genfamilien und MetaCyc-Pfade: „humann –input trimmed.fastq –output humann_output –threads 8“. Die Ausgabe umfasst „genefamilies.tsv“ und „pathabundance.tsv“. Für Assembler-basierte Metagenomik assemblieren Sie alle Beispiele mit „MEGAHIT“: „megahit -1 R1_list.txt -2 R2_list.txt -o Assembly“. Bin contigs mit „MetaBAT2“ unter Verwendung von Abdeckungsprofilen für alle Proben: „runMetaBat.shassembly.final.fa sample1.bam sample2.bam“. Bewerten Sie die Bin-Qualität mit „CheckM“: „checkm lineage_wf -x fa bins_dir checkm_output“. Nur Behälter mit einer Vollständigkeit von >70 % und einer Kontamination von <10 % werden als hochwertige metagenomassemblierte Genome (MAGs) klassifiziert. Die taxonomische Zuordnung von MAGs verwendet „GTDB-Tk“ gegen die Genom-Taxonomie-Datenbank.
