Metagenomika
Karakterizacija crijevnih mikroba
Mikrobne zajednice imaju ključnu ulogu u očuvanju ljudskog zdravlja, ali njihov sastav i mehanizam pomoću kojeg to čine ostaju misteriozni. Metagenomsko sekvenciranje se koristi za karakterizaciju mikrobne zajednice sa 15-18 tjelesnih mjesta od najmanje 250 jedinki. Ovo je dio Inicijativa za ljudski mikrobiom s primarnim ciljevima da se utvrdi postoji li jezgro ljudskog mikrobioma, da se razumiju promjene u ljudskom mikrobiomu koje mogu biti povezane sa ljudskim zdravljem i razviti nove tehnološke i bioinformatičke alate za podršku ovim ciljevima. Još jedno medicinsko istraživanje u sklopu projekta MetaHit (Metagenomika ljudskog crijevnog trakta) sastojalo se od 124 osobe iz Danske i Španijee, koje su se sastojale od zdravih, gojaznih i iritabilnih pacijenata sa bolestima crijeva. Studija je pokušala kategorizirati dubinu i filogenetsku raznolikost gastrointestinalnih bakterija. Koristeći Illumina GA sekvencione podatke i SOAPdenovo, alatku zasnovanu na de Bruijnpvom grafikonu posebno dizajniranu za sklapanje kratkih čitanja, uspjeli su generirati 6,58 miliona kontiga većih od 500 bp za ukupnu dužinu kontiga od 10,3 Gb i dužinu N50 od 2,2 kb. Studija je pokazala da dvije bakterijske divizije, Bacteroidetes i Firmicutes, čine preko 90% poznatih filogenetskih kategorija koje dominiraju bakterijama distalnog crijeva. Koristeći relativne frekvencije gena pronađene u crijevima, ovi istraživači su identificirali 1.244 metagenomska klastera koji su kritično važni za zdravlje crijevnog trakta. Postoje dva tipa funkcija u ovim grupama: održavanje i one specifične za crijeva. Klasteri gena za održavanje su potrebni svim bakterijama i često su glavni faktori u glavnim metaboličkim putevima, uključujući centralni metabolizam ugljika i sintezu aminokiselina. Funkcije specifične za crijeva uključuju adheziju na proteine domaćina i prikupljanje šećera iz glikolipida globoze. Pokazalo se da pacijenti sa sindromom iritabilnog crijeva pokazuju 25% manje gena i manju bakterijsku raznolikost od pojedinaca koji ne pate od sindroma iritabilnog crijeva, što ukazuje da promjene u raznolikosti bioma crijeva pacijenata mogu biti povezane s ovim stanjem. Iako ove studije naglašavaju neke potencijalno vrijedne medicinske primjene, samo 31–48,8% očitavanja moglo bi se uskladiti sa 194 javna bakterijska genoma ljudskog crijeva i 7,6–21,2% s bakterijskim genomima dostupnim u GenBank-u, što ukazuje da je još uvijek potrebno mnogo više istraživanja za uhvatanje novih bakterijskih genoma. U Projektu ljudskog mikrobioma (HMP), mikrobne zajednice crijeva su analizirane korištenjem sekvenciranja DNK visoke propusnosti. HMP je pokazao da su, za razliku od pojedinačnih mikrobnih vrsta, mnogi metabolički procesi prisutni u svim tjelesnim staništima s različitim frekvencijama. Mikrobne zajednice od 649 metagenoma sa sedam primarnih tjelesnih mjesta na 102 osobe proučavane su u sklopu projekta Ljudski mikrobiom. Metagenomska analiza otkrila je varijacije u obilju specifičnih za nišu među 168 funkcionalnih modula i 196 metaboličkih puteva unutar mikrobioma. To uključuje razgradnju glikozaminoglikana u crijevima, kao i transport fosfata i aminokiselina vezan za fenotip domaćina (vaginski pH) u stražnjem forniksu. HMP je iznio na vidjelo korisnost metagenomike u dijagnostici i medicini zasnovanoj na dokazima. Stoga je metagenomika moćan alat za rješavanje mnogih hitnih pitanja u području personalizirane medicine. Kod životinja, metagenomika se može koristiti za profiliranje njihovih crijevnih mikrobioma i omogućavanje otkrivanja bakterija otpornih na antibiotike. Ovo može imati implikacije u praćenju širenja bolesti sa divljih životinja na životinje i ljude na farmama.