Aperçu
La métagénomique est l’étude du matériel génétique récupéré directement à partir d’échantillons environnementaux ou cliniques, évitant ainsi la nécessité d’une culture en laboratoire. Cette approche capture toute la diversité génétique des communautés microbiennes, y compris les bactéries, les archées, les virus et les champignons, dont la grande majorité ne peut pas être cultivée en culture pure. En séquençant l’ADN total extrait du sol, de l’eau de mer, de l’intestin humain ou d’autres habitats, la métagénomique offre une fenêtre indépendante de la culture sur la composition microbienne, le potentiel métabolique et la dynamique des communautés. Ce domaine a révolutionné la microbiologie en révélant la véritable étendue de la diversité microbienne sur Terre.
Méthodes
Les flux de travail métagénomiques se divisent en deux stratégies principales. Le séquençage d’amplicons (par exemple, le séquençage du gène de l’ARNr 16S) cible les gènes marqueurs conservés pour profiler la composition taxonomique. Métagénomique Shotgun séquence tout l’ADN de l’échantillon, permettant une analyse fonctionnelle des gènes et des études résolues sur le génome. Les pipelines bioinformatiques effectuent un ajustement de la qualité, la suppression de l’ADN de l’hôte et une classification taxonomique à l’aide de bases de données telles que Kraken2, MetaPhlAn ou Kaiju. Pour le profilage fonctionnel, les lectures sont mappées sur des catalogues de gènes à l’aide d’outils tels que HUMANN3. Des approches plus avancées assemblent des lectures métagénomiques dans des génomes assemblés par métagénome (MAG) à l’aide d’assembleurs spécialisés tels que MEGAHIT ou métaSPAdes. Les BinContigs sont ensuite classés par composition et abondance de nucléotides pour récupérer des génomes presque complets.
### Candidatures
La métagénomique a profondément influencé la médecine, l’écologie et la biotechnologie. Le projet sur le microbiome humain a révélé des liens étroits entre la composition microbienne intestinale et des maladies telles que l’obésité, les maladies inflammatoires de l’intestin et le diabète. La métagénomique environnementale découvre de nouvelles enzymes pour la biotechnologie industrielle et surveille les communautés microbiennes en microbiologie de l’eau et des aliments. En milieu clinique, la métagénomique permet une détection impartiale des agents pathogènes et une surveillance des gènes de résistance aux antimicrobiens en génétique bactérienne. Le domaine continue de se développer avec les progrès du séquençage de nouvelle génération qui rendent le séquençage métagénomique profond de plus en plus abordable.
Protocole pratique
Pour l’analyse métagénomique de fusil de chasse, commencez par un découpage de qualité des lectures appariées : fastp -i R1.fastq -I R2.fastq -o trimmed_R1.fastq -O trimmed_R2.fastq -q 20 -l 50 --detect_adapter_for_pe. Supprimez les lectures de l’hôte en vous alignant sur le génome de l’hôte (par exemple, humain avec GRCh38) à l’aide de Bowtie2 : bowtie2 -x host_index -1 trimmed_R1.fastq -2 trimmed_R2.fastq --un-conc-gz host_removed -p 8. La classification taxonomique avec Kraken2 crée une base de données comprenant les bactéries, les archées, les virus et les humains : kraken2-build --standard --db $DBDIR. La classification lit : kraken2 --db $DBDIR --report report.txt --threads 8 --paired host_removed_1.fastq host_removed_2.fastq > approved.txt. Affinez les estimations d’abondance avec Bracken : bracken -d $DBDIR -i report.txt -o bracken_report.txt -r 150 -l S. Pour l’abondance au niveau de l’espèce, utilisez « -l S » ; pour le niveau du genre, utilisez -l G. Le profilage fonctionnel avec les cartes HUMAnN3 lit les familles de gènes UniRef et les voies MetaCyc : humann --input trimmed.fastq --output humann_output --threads 8. La sortie inclut « genefamilies.tsv » et « pathabundance.tsv ». Pour la métagénomique basée sur l’assemblage, co-assemblez tous les échantillons avec MEGAHIT : megahit -1 R1_list.txt -2 R2_list.txt -o assembly. Bin contigs avec MetaBAT2 en utilisant des profils de couverture sur tous les échantillons : runMetaBat.sh assembly.final.fa sample1.bam sample2.bam. Évaluez la qualité du bac avec CheckM : checkm lineage_wf -x fa bins_dir checkm_output. Seuls les bacs avec une complétude > 70 % et une contamination < 10 % sont classés comme génomes assemblés par métagénome (MAG) de haute qualité. L’attribution taxonomique des MAG utilise GTDB-Tk par rapport à la base de données de taxonomie du génome.
