Visão geral
Metagenômica é o estudo de material genético recuperado diretamente de amostras ambientais ou clínicas, dispensando a necessidade de cultivo em laboratório. Esta abordagem captura toda a diversidade genética das comunidades microbianas, incluindo bactérias, arquéias, vírus e fungos – a grande maioria dos quais não pode ser cultivada em cultura pura. Ao sequenciar o DNA total extraído do solo, da água do oceano, do intestino humano ou de outros habitats, a metagenômica fornece uma janela independente da cultura para a composição microbiana, o potencial metabólico e a dinâmica da comunidade. O campo revolucionou a microbiologia ao revelar a verdadeira extensão da diversidade microbiana na Terra.
Métodos
Os fluxos de trabalho metagenômicos se dividem em duas estratégias principais. Sequenciamento de amplicon (por exemplo, sequenciamento do gene 16S rRNA) tem como alvo genes marcadores conservados para traçar o perfil da composição taxonômica. A metagenômica Shotgun sequencia todo o DNA da amostra, permitindo a análise funcional de genes e estudos de resolução do genoma. Os pipelines de bioinformática realizam corte de qualidade, remoção de DNA do hospedeiro e classificação taxonômica usando bancos de dados como Kraken2, MetaPhlAn ou Kaiju. Para o perfil funcional, as leituras são mapeadas para catálogos de genes usando ferramentas como HUMAnN3. Abordagens mais avançadas montam leituras metagenômicas em genomas montados por metagenoma (MAGs) usando montadores especializados, como MEGAHIT ou metaSPAdes. BinContigs são então agrupados pela composição e abundância de nucleotídeos para recuperar genomas quase completos.
Aplicativos
A metagenômica impactou profundamente a medicina, a ecologia e a biotecnologia. O projeto do microbioma humano revelou fortes ligações entre a composição microbiana intestinal e doenças como obesidade, doença inflamatória intestinal e diabetes. A metagenômica ambiental revela novas enzimas para a biotecnologia industrial e monitora comunidades microbianas em microbiologia de água e alimentos. Em ambientes clínicos, a metagenômica permite a detecção imparcial de patógenos e a vigilância de genes de resistência antimicrobiana em genética bacteriana. O campo continua a se expandir com avanços no sequenciamento de última geração que tornam o sequenciamento metagenômico profundo cada vez mais acessível.
Protocolo Prático
Para análise metagenômica shotgun, comece com corte de qualidade de leituras de extremidade emparelhada: fastp -i R1.fastq -I R2.fastq -o trimmed_R1.fastq -O trimmed_R2.fastq -q 20 -l 50 --detect_adapter_for_pe. Remova as leituras do host alinhando-se com o genoma do hospedeiro (por exemplo, humano com GRCh38) usando Bowtie2: bowtie2 -x host_index -1 trimmed_R1.fastq -2 trimmed_R2.fastq --un-conc-gz host_removed -p 8. A classificação taxonômica com Kraken2 constrói um banco de dados incluindo bactérias, arquéias, vírus e humanos: kraken2-build --standard --db $DBDIR. Classificar lê: kraken2 --db $DBDIR --report report.txt --threads 8 --paired host_removed_1.fastq host_removed_2.fastq > classificados.txt. Refine as estimativas de abundância com Bracken: bracken -d $DBDIR -i report.txt -o bracken_report.txt -r 150 -l S. Para abundância em nível de espécie, use -l S; para nível de gênero, use -l G. O perfil funcional com mapas HUMAnN3 lê famílias de genes UniRef e vias MetaCyc: humann --input trimmed.fastq --output humann_output --threads 8. A saída inclui genefamilies.tsv e pathabundance.tsv. Para metagenômica baseada em montagem, monte todas as amostras com MEGAHIT: megahit -1 R1_list.txt -2 R2_list.txt -o assembly. Bin contigs com MetaBAT2 usando perfis de cobertura em amostras: runMetaBat.sh assembly.final.fa sample1.bam sample2.bam. Avalie a qualidade do bin com CheckM: checkm lineage_wf -x fa bins_dir checkm_output. Somente caixas com completude> 70% e contaminação <10% são classificadas como genomas montados em metagenoma (MAGs) de alta qualidade. A atribuição taxonômica de MAGs usa GTDB-Tk no banco de dados de taxonomia do genoma.
