מטא-גנומיקה

היסטוריה

ריצוף קונבנציונלי מתחיל עם יצירה של תרבית המכילה תאים זהים כמקור של דנ"א. למרות זאת מחקרים מוקדמים בתחום המטא-גנומיקה חשפו כי ישנם כנראה קבוצות גדולות של מיקרואורגניזמים בסביבות רבות שלא ניתן לגדל במצע של תרבית תאים ולכן לא ניתן לרצפם. מחקרים אלה התמקדו בעיקר ברצפי הגנים 16S rRNA, רצפים יחסית קצרים, בדרך כלל שמורים בתוך המין ושונים בין המינים. מרבית רצפי ה-16S rRNA שנמצאו לא השתייכו לאף אחד ממיני האורגניזמים הידועים, מה שרמז כי ישנם לא מעט אורגניזמים שעדיין לא התגלו ובודדו. מחקרים אלו, שהתבצעו על גני ה-rRNA שנלקחו ישירות מהסביבה הטבעית הראו כי שיטת גידול התאים בתרבית חושפת פחות מ-1% של מיני הבקטריות והארכאה בדגימה. חלק גדול מהעניין הרב בתחום המטא-גנומיקה הגיע מתגליות אלה שהראו כי עד עתה הרוב המכריע של המיקרואורגניזמים נעלם מענייהם של מרבית החוקרים.
עבודות מולקולריות מוקדמות בתחום נערכו על ידי נורמן פייס ועמיתיו, שנעזרו במכשיר ה-PCR לחקור את מגוון רצפי ה-rRNA. התובנות שהתקבלו ממחקרים פורצי דרך אלה הובילו את פייס להציע את הרעיון של שיבוט דנ"א ישירות מדגימות סביבתיות כבר ב-1985. ב-1991 פורסם על ידי פייס ועמיתיו הדיווח הראשוני על בידוד דנ"א בתפזורת מדגימה סביבתית. מאמצים רבים הבטיחו כי אלה לא היו תוצאות חיוביות שגויות של מכשיר ה-PCR ותמכו בקיומה של קהילה מורכבת של מינים שלא נחקרו קודם לכן. אף על פי ששיטת החוקרים הייתה מוגבלת לחקור גנים שמורים ביותר, שאינם מקודדים לחלבון, היא תמכה בתצפיות מוקדמות שטענו כי המגוון המיקרוביאלי היה מורכב הרבה יותר מכפי שהיה ידוע משיטות הגידול בתרביות. לאחר שעזב את מעבדתו של פייס, Edward DeLong המשיך לעבוד בתחום זה ופרסם את עבודתו שהניחה בעיקר את הקרקע עבור פילוגנטיקה סביבתית בהתבסס על חתימת הרצף 16S.
בשנת 2002 Mya Breitbart, Forest Rohwer, ועמיתיהם השתמשו בשיטת הריצוף "shotgun" כדי להראות כי 200 ליטר של מי ים מכילים מעל 5,000 ווירוסים שונים. מחקרים שנערכו לאחר מכן הראו כי ישנם יותר מאלף מינים ויראליים בצואה האנושית וכמיליון וירוסים שונים בקילוגרם של משקעים ימיים, כולל בקטריופאג'ים רבים. ביסודו של דבר, כל הווירוסים במחקרים אלה היו מינים חדשים. בשנת 2004 Gene Tyson, Jill Banfield, ועמיתיהם באוניברסיטת ברקלי שבקליפורניה, וה- Joint Genome Institute ריצפו דנ"א שהופק ממערכת הניקוז של מכרה חומצי. מאמץ זה הביא לחשיפה של גנומים שלמים, או כמעט שלמים, של לא מעט בקטריות וארכאה שניסיונות הגידול שלהם בתרבית בעבר לא צלחו.
בתחילת שנת 2003, Craig Venter הוביל את המשלחת העולמית לדגימת האוקיינוס (Global Ocean Sampling Expedition), שהפליגה והקיפה את כדור הארץ ואספה דוגמיות מטא-גנומיות לאורך כל המסע. כלל הדוגמיות הללו רוצפו באמצעות שיטת ה-"shotgun", בתקווה כי גנומים חדשים (ולכן אורגניזמים חדשים) יזוהו. פרויקט הדגל, שנערך בים סרגסו, מצא דנ"א מכמעט 2,000 מינים שונים, כולל 148 סוגים של חיידקים שלא נראו מעולם. Venter הפליג מסביב לכדור הארץ, בחן ביסודיות את החוף המערבי של ארצות הברית, וסיים משלחת של שנתיים שחקרה את הים הבלטי, הים התיכון והים השחור. ניתוח הנתונים המטא-גנומיים שנאספו במהלך המסע חשף שתי קבוצות של אורגניזמים, האחת מורכבת ממסת אורגניזמים המותאמים לתנאים סביבתיים של "שפע או רעב", והשנייה מורכבת ממסת אורגניזמים קטנה יותר, אך נפוצה יותר ובעלת יכולת תפוצה רחבה יותר, המורכבת בעיקר מפלנקטון.
בשנת 2005 Stephan C. Schuster ועמיתיו מאוניברסיטת פן פרסמו את הרצפים הראשונים של מדגם סביבתי שנוצרו על ידי ריצוף בעזרת רצף תפוקה גבוהה. עבודה נוספת בתחום זה הופיעה בשנת 2006, ונכתבה על ידי Robert Edwards, Forest Rohwer, ועמיתיהם מאוניברסיטת סן דייגו.

מטא-גנומיקה השוואתית

ניתוח השוואתי בין מטא-גנומיים שונים יכול לספק תובנה נוספת בנוגע לתפקודם של אוכלוסיות מיקרוביאליות ולתפקידן בבריאותו של המאחסן. ביצוע ההשוואה יכול להתבצע הן ברמת הרצף הגנומי, הן ברמת המגוון הטקסונומי, והן ברמת הפונקציונאליות המשלימה. השוואות מבנה האוכלוסיות והמגוון הפילוגנטי יכולות להתבצע על בסיס הגן 16S ומרקרים פילוגנטיים נוספים. השוואות פונקציונליות בין מטא-גנומיים יכולות להיעשות על ידי השוואת רצפים כנגד מאגרים ידועים כגון COG או KEGG, ועריכתם בטבלה המסווגת אותם על פי קטגוריות משמעותיות. גישה גנטית-מרכזית זו מדגישה את ההשלמה הפונקציונלית של הקהילה כולה ולא את הקבוצות הטקסונומיות, ומראה כי השלמות הפונקציונלית מקבילה בתנאים סביבתיים דומים. כתוצאה מכך, יצירה של מסד נתונים המציג את ההקשר הסביבתי של המדגם המטא-גנומי חשוב במיוחד בניתוח השוואתי, שכן הוא מספק לחוקרים את היכולת ללמוד מהי השפעת בית הגידול על מבנה הקהילה ועל תפקודה.
מטרת המפתח של המטא-גנומיקה ההשוואתית היא לזהות קבוצות מיקרוביאליות אשר אחראיות על מתן מאפיינים ספציפיים לסביבה נתונה. עם זאת, בשל בעיות של טכנולוגיות הריצוף, ארטיאפקט שונים צריכים להילקח בחשבון. Kuntal ועמיתיו פיתחו יישום גרפי המבוסס על ניתוחי מטא-גנומיים השוואתיים הנקרא Community-Analyzer. יישום זה לא רק מאפשר את ההדמיה הוויזואלית והמהירה של ההבדלים בקהילות המיקרוביאליות שנותחו (במונחים של הרכב הטקסונומי שלהם), אלא הוא גם מספק תובנות על האינטראקציות הבין מיקרוביאליות הטמונים בהם.

יישומים

תחום המטא-גנומיקה הוא בעל פוטנציאל לקדם ידע במגוון רחב של תחומים, הוא יכול להיות מיושם גם כדי לפתור אתגרים מעשיים ברפואה, הנדסה, חקלאות ואקולוגיה.

אבחון של מחלות מידבקות

הבחנה בין מחלות זיהומית ומחלות שאינן זיהומית, ואף זיהוי האטיולוגיה הבסיסית של זיהום, יכול להיות מאתגר למדי. לדוגמה, יותר ממחצית המקרים של דלקת המוח אינם מאובחנים, למרות ביצוע של בדיקות מקיפות. ריצוף מטא-גנומי מראה הבטחה כשיטה רגישה ומהירה כדי לאבחן זיהום על ידי שיטות השוואתיות של החומר הגנטי הנמצא במדגמי המטופל לבין מסד נתונים של אלפי חיידקים, וירוסים, ופתוגנים אחרים.

אפיון של חיידקי מעיים

קהילות מיקרוביאליות הן בעלות תפקיד מרכזי בשמירה על בריאות האדם, אך הרכבן והמנגנון שבאמצעותו הן פועלות עדיין נותרו מסתוריות. רצפים מטא-גנומיים משמשים לאפיון של הקהילות המיקרוביאליות מאתרים שונים בגוף. זהו חלק מיוזמת המיקרוביום האנושי שמטרתה העיקרית היא לקבוע האם יש מיקרוביום אנושי בסיסי, להבין את השינויים במיקרוביום האנושי שיכול להיות מתואם עם בריאות האדם, ולפתח כלים טכנולוגיים וביואינפורמטיים חדשים לתמיכה ביעדים אלו.

דלק ביולוגי

דלקים ביולוגיים הם דלקים שמקורם בהמרת ביומסה ביולוגית לאתנול. בתהליך זה יש להפוך את הצלולוז (תאית) לסוכר בשלב הראשון, ולאחר מכן התסיסה של הסוכרים תשחרר אתנול. חיידקים מייצרים גם מגוון מקורות ביו-אנרגתיים נוספים כולל מתאן ומימן.
היכולת התעשייתית של פירוק הביומסה דורשת אנזימים חדשים בעלי פרודוקטיביות גבוהה יותר ועלות נמוכה יותר. גישות מטא-גנומיות לניתוח של קהילות מיקרוביאליות מורכבות מאפשרות איתור ממוקד של אנזימים עם יישומים תעשייתיים בייצור דלק ביולוגי, כגון glycoside hydrolases. יתר על כן, הידע של איך הקהילות המיקרוביאליות הללו מתפקדות נדרש על מנת לשלוט בהם, ומטא-גנומיקה הוא כלי מפתח להבנתם.

תיקון סביבתי

מטא-גנומיקה יכולה לשפר את האסטרטגיות והאמצעים המשמשים לניטור של מזהמים במערכות אקולוגיות ולניקוי של הסביבה המזוהמת. הבנה מוגברת של האופן שבו קהילות מיקרוביאליות מתמודדות עם מזהמים משפרת את הפוטנציאל של אתרים מזוהמים להתאושש מן הזיהום.

ביוטכנולוגיה

קהילות מיקרוביאליות מייצרות מגוון רחב של כימיקלים ביולוגיים פעילים המשמשים אותם ליריבות ולתקשורת. רבים מן התרופות בשימוש היום נחשפו לראשונה ממקור חיידקי. ההתקדמות האחרונה בכריית המשאבים הגנטיים העשירים של חיידקים שאינם מתחלקים בתרבית הובילה לגילוי של גנים חדשים, אנזימים ומוצרים טבעיים. היישום של המטא-גנומיקה אפשרה פיתוח של כימיקלים עדינים, אגרוכימיה ותרופות שונות.

חקלאות

הקרקע שבה גדלים הצמחים מאוכלסת על ידי קהילות חיידקים שונות, גרם אחד של אדמה מכיל כ-1,000 תאים מיקרוביאליים. הקהילות המיקרוביאליות המאכלסות קרקעות הן מהמורכבות והמשונות ביותר הידועות למדע, והן אינן מובנות כלל על אף חשיבותן הכלכלית. אוכלוסייה מיקרוביאלית שכזו מבצעת מגוון רחב של שירותים למערכת האקולוגית הדרושים לצמיחת הצמח, כולל תיקון חנקן אטמוספירי, מחזור של נוטריינטים, דיכוי מחלות, והרחקה של ברזל ומתכות אחרות. אסטרטגיות מטא-גנומיות פונקציונאליות שונות משמשות למחקר של יחסי הגומלין הקיימים בין צמחים ומיקרובים באמצעות מחקר של טיפוח הקהילות המיקרוביאליות האלו. על ידי הבנת תפקודם של חברי הקהילה המיקרוביאלית, מטא-גנומיקה יכולה לתרום לשיפור גילוי מחלות בגידולים, ואף לשפר את בריאות הצומח על ידי רתימת הקשר בין חיידקים וצמחים.

אקולוגיה

מטא-גנומיקה יכולה לספק תובנות פונקציונאליות בתחום האקולוגיה הסביבתית. ניתוח של מחקר מטא-גנומי שעסק בהפרשות הצואה של אריות הים האוסטרלי הראה כי חיידקי הצואה שלהם נמצאו כמקור מזין חשוב עבור מערכת החוף האקולוגית. הסיבה לכך היא שהחיידקים המגורשים בו זמנית עם ההפרשות, מיומנים בפירוק החומרים המזינים בצואה לצורה ביולוגית הניתנת להעברה בשרשרת המזון.