Metagenómica: de los microscopios a la secuenciación masiva

Las bacterias representan el mayor número de organismos en la Tierra, con un número aproximado de 5 x 10³⁰ microorganismos, es decir, el número de bacterias en la Tierra es mayor al número de estrellas en el Universo el cual se estima en 1×10²¹. El estudio de las bacterias inicio en el año de 1663 con las observaciones hechas por Antonie van Leeuwenhoek con los microscopios que él mismo diseñaba.

A partir de su descubrimiento hasta nuestros días, los microorganismos no dejan de sorprendernos por su gran capacidad de adaptación y de funciones que pueden tener, desde aquellos que causan enfermedades hasta los que producen moléculas para combatirlas. En términos de adaptación ecológica, las bacterias son los organismos con mayor éxito, ya que se han adaptado y colonizado casi todos los ambientes del planeta: desde las profundidades del mar hasta las arenas del desierto, desde ambientes con altas temperaturas como las fuentes hidrotermales hasta los hielos de los polos.

Tradicionalmente el aislamiento de las bacterias se basaba en su importancia clínica o biotecnológica, y mucho dependía de la capacidad de poderlas cultivar o crecer en los laboratorios. Se estima que se conoce el 10% de la diversidad de bacterias, y de ese pequeño porcentaje se han extraído la mayor parte de moléculas que se utilizan en diferentes ámbitos de nuestra vida como las aplicaciones médicas, en la industria textil, de alimentos, agropecuarias, por mencionar algunas.

¿Pero qué pasa con el 90% restante de la diversidad microbiana? Hasta hace algunos años no era posible acceder a ella ni a sus funciones, pero con el surgimiento de las llamadas tecnologías de secuenciación masiva hoy hemos pasado de estudiar una sola bacteria en cultivo a estudiar conjunto de organismos y su información genética (genomas) en muestras ambientales. El estudio de los genomas de microorganismos de una muestra en una comunidad o un nicho ecológico se le conoce como metagenómica, y utiliza como herramienta el análisis del ADN. Estos análisis se llevan a cabo a través de la extracción del ADN de todos los microrganismos de una muestra ambiental y su posterior secuenciación masiva (Aguiar-Pulido et al., 2016).

En la metagenómica después de llevar a cabo la secuenciación se siguen tres pasos generales para el análisis de los datos: La primera fase se basa en limpiar y filtrar las secuencias (calidad y longitud). El segundo paso consiste en agrupar las secuencias, un método aceptado a nivel mundial son los OTUs o unidad taxonómica operativa. El tercer paso, depende de que es lo qué es lo se quiera saber de la muestra, puede ser desde la diversidad de especies hasta cómo se comporta una comunidad a un ambiente determinado (Aguiar-Pulido et al., 2016; Kim et al, 2013).

Los estudios metagenómicos pueden ayudar a describir las especies que se encuentran en un ambiente determinado, e incluso describir nuevas especies. Como en el caso de los estudios llevados en el Mar de los Sargazos (Venter et al. 2004) en donde se buscaba describir la diversidad y la abundancia relativa de las bacterias, para lo cual secuenciaron 1045 billones pares de bases, en los cuales se  encontraron 148 filotipos antes desconocidos. Otro ejemplo de la implementación de esta herramienta para el descubrimiento de nuevas especies de bacterias es en el caso de los estudios en dos lagunas costeras del mediterráneo (Ghai et al. 2012), donde el objetivo era investigar la diversidad microbiana y compararla con otros ambientes similares, y en el cual se identificó una nueva especie de alphaproteobacteria oxidante de azufre,

En conclusión, las herramientas metagenómicas están ampliando nuestro conocimiento sobre la verdadera dimensión de la diversidad de las bacterias y sus funciones en la Tierra, desarrollando nuevas perspectiva de aplicación.

Análisis metagenómico. Adaptado de Raimondi, 2013.

Referencias asociadas

Aguiar-Pulido, V., et al (2016). Metagenomics, Metatranscriptomics, and Metabolomics Approaches for Microbiome Analysis. Evolutionary Bioinformatics, 12, EBO-S36436.
Kim, M., et al (2013). Analytical tools and databases for metagenomics in the next-generation sequencing era. Genomics & informatics, 11(3), 102.
Raimondi, S. G. (2013). Metagenómica: más allá del genoma de los microorganismos. Bitácora Digital, 1(2).
Ghai, R. et al. (2012). Metagenomes of Mediterranean coastal lagoons. Scientific reports, 2, 490
Venter, J. C. et al. (2004). Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. science, 304(5667), 66-74.