Descripción general
La metagenómica es el estudio del material genético recuperado directamente de muestras ambientales o clínicas, evitando la necesidad de cultivo en laboratorio. Este enfoque captura toda la diversidad genética de las comunidades microbianas, incluidas bacterias, arqueas, virus y hongos, la gran mayoría de los cuales no pueden cultivarse en cultivo puro. Al secuenciar el ADN total extraído del suelo, el agua del océano, el intestino humano u otros hábitats, la metagenómica proporciona una ventana independiente del cultivo a la composición microbiana, el potencial metabólico y la dinámica comunitaria. Este campo ha revolucionado la microbiología al revelar el verdadero alcance de la diversidad microbiana en la Tierra.
Métodos
Los flujos de trabajo metagenómicos se dividen en dos estrategias principales. La secuenciación de amplicones (p. ej., secuenciación del gen 16S rRNA) se dirige a genes marcadores conservados para perfilar la composición taxonómica. Metagenómica de escopeta secuencia todo el ADN de la muestra, lo que permite el análisis de genes funcionales y estudios de resolución del genoma. Los canales de bioinformática realizan recortes de calidad, eliminación del ADN del huésped y clasificación taxonómica utilizando bases de datos como Kraken2, MetaPhlAn o Kaiju. Para crear perfiles funcionales, las lecturas se asignan a catálogos de genes utilizando herramientas como HUMAnN3. Los enfoques más avanzados ensamblan lecturas metagenómicas en genomas ensamblados en metagenoma (MAG) utilizando ensambladores especializados como MEGAHIT o metaSPAdes. Luego, los BinContigs se agrupan según la composición y abundancia de nucleótidos para recuperar genomas casi completos.
Aplicaciones
La metagenómica ha tenido un profundo impacto en la medicina, la ecología y la biotecnología. El proyecto del microbioma humano reveló fuertes vínculos entre la composición microbiana intestinal y enfermedades como la obesidad, la enfermedad inflamatoria intestinal y la diabetes. La metagenómica ambiental descubre nuevas enzimas para la biotecnología industrial y monitorea las comunidades microbianas en microbiología del agua y los alimentos. En entornos clínicos, la metagenómica permite la detección imparcial de patógenos y la vigilancia de genes de resistencia a los antimicrobianos en genética bacteriana. El campo continúa expandiéndose con avances en la secuenciación de próxima generación que hacen que la secuenciación metagenómica profunda sea cada vez más asequible.
Protocolo práctico
Para el análisis metagenómico de escopeta, comience con un recorte de calidad de lecturas de extremos emparejados: fastp -i R1.fastq -I R2.fastq -o trimmed_R1.fastq -O trimmed_R2.fastq -q 20 -l 50 --detect_adapter_for_pe. Elimine las lecturas del host alineándolas con el genoma del host (por ejemplo, humano con GRCh38) usando Bowtie2: bowtie2 -x host_index -1 trimmed_R1.fastq -2 trimmed_R2.fastq --un-conc-gz host_removed -p 8. La clasificación taxonómica con Kraken2 crea una base de datos que incluye bacterias, arqueas, virus y humanos: kraken2-build --standard --db $DBDIR. Classify dice: kraken2 --db $DBDIR --report report.txt --threads 8 --paired host_removed_1.fastq host_removed_2.fastq > Classified.txt. Refine las estimaciones de abundancia con Bracken: bracken -d $DBDIR -i report.txt -o bracken_report.txt -r 150 -l S. Para abundancia a nivel de especie, utilice -l S; para nivel de género utilice -l G. El perfil funcional con mapas HUMAnN3 lee las familias de genes UniRef y las vías MetaCyc: humann --input trimmed.fastq --output humann_output --threads 8. El resultado incluye genefamilies.tsv y pathabundance.tsv. Para metagenómica basada en ensamblaje, coensamble todas las muestras con MEGAHIT: megahit -1 R1_list.txt -2 R2_list.txt -o ensamblaje. Bin contigs con MetaBAT2 usando perfiles de cobertura en todas las muestras: runMetaBat.sh ensemble.final.fa sample1.bam sample2.bam. Evalúe la calidad del contenedor con CheckM: checkm lineage_wf -x fa bins_dir checkm_output. Solo los contenedores con una integridad >70 % y una contaminación <10 % se clasifican como genomas ensamblados en metagenoma (MAG) de alta calidad. La asignación taxonómica de MAG utiliza “GTDB-Tk” contra la base de datos de taxonomía del genoma.
