Metagenomika
Historija
Konvencijsko sekvenciranje počinje kulturom identičnih ćelija kao izvora DNK. Međutim, rane metagenomske studije otkrile su da vjerovatno postoje velike grupe mikroorganizama u mnogim sredinama koje se ne mogu kultivisati i stoga ne mogu sekvencirati. Ove rane studije fokusirale su se na sekvence 16S ribosomske RNK (rRNK) koje su relativno kratke, često konzervirane unutar vrsta, i općenito različite među vrstama. Pronađene su mnoge sekvence 16S rRNK koje ne pripadaju nijednoj poznatoj kultivisanoj vrsti, što ukazuje da postoje brojni neizolovani organizmi. Ova istraživanja gena ribosomske RNK uzetih direktno iz okoline otkrila su da metode zasnovane na kultivaciji pronalaze manje od 1% bakterijskih i Archaeal vrsta u uzorku. Veliki dio interesovanja za metagenomiku potiče od ovih otkrića koja su pokazala da je velika većina mikroorganizama ranije prošla nezapaženo. Ranih 1980-ih molekulska istraživanja na terenu su vodili Norman R. Pace i kolege, koji su koristili PCR za istraživanje raznolikosti sekvenci ribosomske RNK. Uvidi stečeni iz ovih revolucionarnih studija naveli su Pacea da predloži ideju kloniranja DNK direktno iz uzoraka okoliša još 1985. Ovo je dovelo do prvog izvještaja o izolaciji i kloniranja masovne DNK iz uzorka okoliša, koji su objavili Pace i kolege 1991. dok je Pace bio na Odsjeku za biologiju u Univerziteta Indijana. Značajni napori su osigurali da ovo nisu PCR lažno pozitivni i podržali postojanje složene zajednice neistraženih vrsta. Iako je ova metodologija bila ograničena na istraživanje visoko konzerviranih, gena koji ne kodiraju proteine, ona je podržala rana zapažanja zasnovana na mikrobnoj morfologiji da je raznolikost daleko složenija nego što je to bilo poznato metodama uzgoja. Ubrzo nakon toga, 1995. godine, Healy je izvijestio o metagenomskoj izolaciji funkcionalnih gena iz "zooliblioteka" konstruiranih od kompleksne kulture ekoloških organizama uzgojenih u laboratoriji na osušenim travama. Nakon odlaska Laboratorija Pace, Edward DeLong nastavio je na terenu i objavio rad koji je u velikoj mjeri postavio temelje za filogenije životne sredine, zasnovane na signaturnim sekvencama 16S, počevši od njegove grupe izgradnjom biblioteka iz morskih uzoraka. Godine 2002. Mya Breitbart, Forest Rohwer i kolege su koristili nasumično sekvenciranje (vidi dolje) kako bi pokazali da 200 litara morske vode sadrži preko 5000 različitih virusa. Naknadne studije su pokazale da postoji više od hiljadu vrsta virusa u ljudskoj stolici i možda milion različitih virusa po kilogramu morskog sedimenta, uključujući mnoge bakteriofage. U suštini svi virusi u ovim studijama bili su nove vrste. Godine 2004, Gene Tyson, Jill Banfield i kolege sa Univerzitet Kalifornije, Berkeley i Joint Genome Institute su sekvencionirali DNK ekstrahiranu iz acid mine drainage sistema. Ovaj napor je rezultirao kompletnim, ili gotovo potpunim, genomima za šačicu bakterija i archaea koji su se ranije odupirali pokušajima njihovog uzgoja. Počevši od 2003. godine, Craig Venter, vođa privatno finansirane paralele Projekta ljudskog genoma, predvodi Globalnu ekspediciju za uzorkovanje okeana (GOS), obilazeći svijet i prikupljajući metagenomske uzorke širom svijeta putovanje. Svi ovi uzorci su sekvencionirani pomoću nasumičnog sekvenciranja, u nadi da će novi genomi (a samim tim i novi organizmi) biti identificirani. Pilot projekat, sproveden u Sargaškom moru, pronašao je DNK od skoro 2000 različitih vrsta, uključujući 148 tipova bakterija koje nikada ranije nisu viđene. Venter je temeljito istražio Zapadnu obalu Sjedinjenih Država, i završio dvogodišnju ekspediciju da istraži Baltik, Mediteran i Crno more. Analiza metagenomskih podataka prikupljenih tokom ovog putovanja otkrila je dvije grupe organizama, jednu sastavljenu od taksona prilagođenih ekološkim uvjetima 'gozba ili glad', a drugu sastavljenu od relativno manjeg broja, ali obilnije i šire rasprostranjenih taksona prvenstveno sastavljenih od planktona. Godine 2005. Stephan C. Schuster i kolege sa Penn State University objavili su prve sekvence uzorka okoline generirane pomoću visokopropusnog sekvenciranja, u ovom slučaju masovno paralelnog pirosekvenciranja koje je razvio 454 Life Sciences. Još jedan rani rad u ovoj oblasti pojavio se 2006. Robert Edwards, Forest Rohwer, i kolege sa San Diego State Univerziteta.