Überblick
Die Metagenomik ist 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 — die überwältigende Mehrheit davon kann nicht in Reinkultur gezogen werden. Durch die Sequenzierung der gesamten DNA aus Boden, Meerwasser, dem menschlichen Darm oder anderen Habitaten bietet die Metagenomik ein kulturunabhängiges Fenster in die mikrobielle Zusammensetzung, das metabolische Potenzial und die Gemeinschaftsdynamik. Das Fachgebiet hat die Mikrobiologie revolutioniert, indem es das wahre Ausmaß der mikrobiellen Vielfalt auf der Erde offengelegt hat.
Methoden
Metagenomische Arbeitsabläufe lassen sich in zwei Hauptstrategien unterteilen. Die Amplikon-Sequenzierung (z. B. 16S-rRNA-Gen-Sequenzierung) zielt auf konservierte Markergene ab, um die taxonomische Zusammensetzung zu profilieren. Die Shotgun-Metagenomik sequenziert die gesamte DNA in der Probe und ermöglicht so die funktionelle Genanalyse und genombezogene Studien. Bioinformatik-Pipelines führen Qualitätstrimmung, Entfernung von Wirts-DNA und taxonomische Klassifikation mithilfe von Datenbanken wie Kraken2, MetaPhlAn oder Kaiju durch. Für die funktionelle Profilerstellung werden Reads mit Werkzeugen wie HUMAnN3 auf Genkataloge kartiert. Fortgeschrittenere Ansätze assemblieren metagenomische Reads zu metagenom-assemblierten Genomen (MAGs) mithilfe spezialisierter Assembler wie MEGAHIT oder metaSPAdes. Die Contigs werden dann nach Nukleotidzusammensetzung und Häufigkeit gebinnt, um nahezu vollständige Genome zu rekonstruieren.
Anwendungen
Die Metagenomik hat Medizin, Ökologie und Biotechnologie tiefgreifend beeinflusst. Das Human Microbiome Project zeigte starke Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung der Darmmikrobiota und Krankheiten wie Fettleibigkeit, chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und Diabetes. Die Umweltmetagenomik entdeckt neuartige Enzyme für die industrielle Biotechnologie und überwacht mikrobielle Gemeinschaften in der Wasser- und Lebensmittelmikrobiologie. Im klinischen Bereich ermöglicht die Metagenomik eine unvoreingenommene Pathogenerkennung und die Überwachung von Antibiotikaresistenzgenen in der Bakteriengenetik. Das Feld expandiert weiter mit Fortschritten im Next-Generation Sequencing, die tiefe metagenomische Sequenzierungen zunehmend erschwinglich machen.
