Genômica ambiental (metagenômica), estado da arte
Autor: Prós | Publicado: 2009-12-20T05:14:00-08:00

DNA metagenômico, metagenomas e metatranscriptomasA área da metagenômica surgiu recentemente quando um dos maiores e mais controvertidos ícones da ciência moderna decidiu investir realmente neste tipo de análise (Venter et al., 2004). John Craig Venter, o magnata da Celera Genomics e um dos únicos humanos a possuir hoje seu genoma completamente seqüenciado, saiu a navegar em seu veleiro Sorcerer no mar de Sargaços e realizou coletas importantes que abriram as portas e demonstraram as enormes potencialidades dos estudos da assim chamada genômica ambiental (Bertin et al., 2008; Ward et al., 2007; Rodríguez-Valera, 2004).J Craig Venter  em seu veleiro Sorcerer fazendo coletas de amostras ambientais com o objetivo de amostrar comunidades bacterianas presentes no mar de sargaços. O estudo da genômica ambiental tem se mostrado cada vez mais interessante e revelador das características dos mais diversos ambientes e mostra com a microbiota influencia e é influenciada por fatores ambientais.Um dos grandes papas da teoria evolutiva, Stephen Jay Gould, descreve em seu livro "Fullhouse" ("Jogo de dados", na tradução em português) a idéia da bactéria-modal. De acordo com Gould a bactéria é o organismo mais abundante na face de nosso planeta e se apenas um organismo devesse ser pego como representativo da vida na Terra, ele deveria ser uma bactéria (Gould, 1996). A despeito de visões poéticas ou fugas do antropocentrismo, a bactéria modal de Gould reflete a grande importância da comunidade bacteriana nos mais diversos biomas existentes em nosso planeta. De fato, com os avanços dos estudos em metagenômica ambiental ao verificarmos as comunidades microbiológicas presente nos rios, mares e solos está se tornando cada vez mais clara a enorme influência das bactérias e outros organismos unicelulares para o fenótipo ambiental e para o desenvolvimento de outras formas de vida a eles associados.O estudo de metagenomas e metatranscriptomas consiste em uma diversidade de análises complementares sobre determinado ambiente do qual tenham sido extraídas amostras de DNA ou RNA. Esta técnica tem a incrível vantagem de permitir a amostragem de bactérias e outros microorganismos incapazes de crescer em cultura e permite avaliar um potencial biotecnológico que estava até hoje escondido, sendo considerado uma mina de ouro biotecnológica (Handelsman, 2004; Streit e Schmitz, 2004). No estudo mais básico de DNA metagenômico, são extraídas amostras de DNA do ambiente que se deseja trabalhar e são amplificadas regiões relacionados ao chamado rRNA 16S. Esta molécula funciona como um marcador de grandes grupos bacterianos e permite a classificação – através de comparação com seqüências de bancos de dados de DNA ribossomal (Cole et al., 2009; Cole et al., 2007; Cole et al., 2005; Cole et al., 2003) -– de grandes grupos bacterianos presentes na amostra. Assim, é possível ao pesquisador verificar exatamente quais grupos bacterianos estão presentes em uma amostra de solo (por exemplo) e assim poder inferir a relevância da presença de determinados grupos com relação a um chamado "fenótipo" ambiental. Análises multivariadas têm sido realizadas e pipelines de análise de dados têm sido aos poucos implementados por bioinformatas para serem executadas automaticamente de forma a permitir a relação estatística de correlação entre a presença de determinado grupo bacteriano e determinados fatores do solo, como o pH, temperatura, umidade, e etc. De fato, no estudo da metagenômica será ainda preciso avaliar fatores causais para que se possa concluir se a presença da bactéria está relacionada a variações desses fatores abióticos ou se a presença desses fatores é o que permite determinado grupo bacteriano se desenvolver num determinado ambiente; um tipo de problema ovo-galinha ainda a ser resolvido. O que é certo é que os organismos são influenciados por fatores ambientais ao seu redor e também influenciam-nos (Hubert et al., 2009) ao produzir compostos químicos resultantes de seu metabolismo e retorná-los ao meio ambiente. O que importa é que em breve seremos capazes de identificar correlações entre determinados fatores ambientais e a presença de grupos bacterianos, como de fato tem sido reportado em trabalhos recentes (Strom, 2008; Mathur et al., 2007). Este estudo de metagenomas com relação exclusivamente à descoberta da biodiversidade microbiana presente em determinado ambiente será automatizado em análises de grupos de pesquisa dos quais participo aqui na Universidade Católica de Brasília (financiados pelo CNPq); assim como a correlação desta diversidade microbiana com fatores abióticos fornecidos pelos pesquisadores-colaboradores (Gianoulis et al., 2009).Já nos estudos da metagênomica per se (em contraposição ao estudo do rDNA 16s ou da metatranscriptômica) busca-se a prospecção de genes biotecnologicamente interessantes. O DNA das amostras obtidas diretamente do ambiente desejado é purificado, digerido e seqüenciado sem seleção prévia por nenhum loco em particular. Neste caso, a idéia principal é de bioprospecção ao tentarmos encontrar determinados genes ainda hoje desconhecidos mas que possam vir a ter algum interesse comercial na área da biotecnologia (Ferrer et al., 2008; Thipathi et al., 2007; Lorenz e Eck, 2005). Tais genes são então comparados com genes já conhecidos operando funções desejáveis para determinados e específicos processos industriais ou para a descontaminação de áreas poluídas, como parece estar sendo feito por pesquisadores da UFMG. Há ainda a possibilidade de realizar algum tipo de enriquecimento da biblioteca metagenômica na busca de genes relacionados a determinados e já conhecidos fenótipos biotecnológicos, como genes para fermentação e digestão de determinados compostos químicos. Entretanto a grande mina de ouro consiste nos genes que não se pode enriquecer justamente por não sabermos exatamente o que fazem ou como poderão ser utilizados biotecnologicamente. É a prospecção destes genes que tem o maior potencial de produzir novidades biotecnológicas ainda sequer imagináveis.O estudo da diversidade de micróbios ligados aos mais diversos ambientes (inclusive lixões) pode permitir a descoberta de genes de importância biotecnológica, além de permitir-nos investigar de forma mais precisa a relação entre organismos e ambiente.Já os estudos de metatranscriptômica são extremamente interessantes para que entendamos a correlação entre a presença de um gene e as características de um determinado ambiente. Particularmente neste caso, o pesquisador alemão Peer Bork apresentou um trabalho bastante elegante durante sua presença no congresso de bioinformática brasileiro, o X-meeting 2009. Se o compreendi bem, o líder do EMBL obteve dados de Venter sobre a metatranscriptômica do mar de Sargaços (Venter, 2004) e realizou um feito inédito. Vale notar que em sua exploração metodologicamente complexa do mar de Sargaços, Venter fez coletas que geraram estudos de metatranscriptômica em diferentes profundidades em seu ambiente de estudo. Assim, haviam informações sobre bactérias coletadas na superfície e em cinco profundidades abaixo da superfície. O que Bork fez foi então jogar todos os genes expressos obtidos nessas cinco profundidades e mapeá-los para vias bioquímicas (fornecidas pelo sítio japonês KEGG, a enciclopédia Kyoto para genes e genomas). O pesquisador observou, de forma interessante e inédita, que as bactérias presentes na superfície do mar expressavam mais genes relacionados à via de fotossíntese enquanto mais para o fundo, genes diversos eram expressos. Embora a posteriori seja óbvio supor que, devido à maior presença de luz haveriam mais genes de vias biossintéticas de bactérias fotossintetizantes sendo expressas na superfície do mar, ninguém havia evidências reais desses dados antes. Acredito também que este tipo de estudo abre caminho para novas questões biológicas onde os organismos presentes em determinado ambiente não são importantes para observarmos características do mesmo; mas torna-se importante apenas saber quais genes são expressos num determinado ambiente, a despeito dos organismos que os transcrevem (como parece ter sido analisado por Gianoulis et al., 2009). Assim, neste mundo comandado por genes e proteínas, mesmo a idéia organismos deixa de ser relevante e é possível vislumbrar um mundo dawkiniano onde a verificação de genes expressos seja a principal forma de compreensão da forma de operação de um determinado ambiente; sem que seja necessário identificar os organismos que os expressam. Peer Bork foi pioneiro neste tipo de estudo e neste trabalho pretendemos, à luz de seus desenvolvimentos, desenvolver ferramentas que facilitem a análise e interpretação de dados em metatranscriptômica para a compreensão básica do metabolismo associado a determinado ambiente de forma organismo-independente.Finalmente, vale notar que a metagenômica recentemente teve e tem tido um papel importante na validação experimental e científica dos novos métodos de sequenciamento em larga-escala (NGS). Enquanto ainda muitos duvidavam da eficiência das novas plataformas de sequenciamento genômico -- pricipalmente produzidas pela máquina sequenciadora da empresa 454 Life Sciences, lançado em 2005 -- muitos pesquisadores em metagenômica apostaram nos bonus dessas novas metodologias ao invés de enfatizarem o ônus de terem sequências de DNA de tamanho menor ou análises de dados mais complexas. Já no ano seguinte à publicação original de Margulies ee colaboradores (2005) mostrando a eficiência da técnica 454 em sequenciar genomas bacterianos, em 2006 novos trabalhos publicados principalmente na área da genômica ambiental demonstravam a versatilidade e eficácia da nova técnica de sequenciamento ao amostrar a diversidade microbiana observada em uma mina (Edwards et al, 2006) ou nas profundezas do mar (Sogin et al., 2006), além de genomas virais observados em oceanos (Angly et al., 2006). Além disso, ao longo dos últimos anos, a tecnologia de pirosequenciamento ou de sequenciamento por síntese tem evoluido e a cada dia que passa o tamanho médio das sequências NGS tem alcançado o tamanho médio conseguido por reads baseados na técnica de Sanger. A influência, portanto, destes pesquisadores inovadores da área da metagenômica tem ajudado a melhorar a técnica NGS e validá-la através de interessantes análises da genômica ambiental.== Adendo ==30/03/2010: Meu amigo Rodrigo Pereira, da EMBRAPA soja, enviou-me uma mensagem onde parecia razoavelmente incomodado com o fato de que eu havia dado a Venter os créditos pelo advento da metagenômica. Rodrigo escreve:Outra coisa  estava dando uma olhada no seu blog, Achei bem interessante, mas vi algo sobre metagenômica que não concordei. Dizer que a metagenômica surgiu com o C. Venter não é correto, muitos cientistas trabalharam com ela antes, ele deixou ela bem famosa, mas não foi o pioneiro. Torsvik (abaixo) foi um dos pioneiros ao extrair dna da microbiota do solo, fazer PCR e verificar padrões de bandas diferentes, sugerindo diversidade na comunidade. Isso no fim da década de 80...TORSVIK, V.L. et al. High diversity in DNA of soil bacteria. Applied and EnvironmentalMicrobiology, Washington, v. 56, p. 782-87, 1990.TORSVIK, V.L. et al. Comparison of phenotypic diversity and DNA heterogeneity in apopulation of soil bacteria. Applied and Environmental Microbiology, Washington, v.56, p. 776-81, 1990b.TORSVIK, V.L. et al. Novel technics for analyzing microbial diversity in natural andperturbed environments. Journal of Biotechnology, Amsterdam, v. 64, p. 53-62, 1998.TORSVIK V.; OVREAS L. Microbial diversity and function in soil: from genes toecosystems. Current Opinion in Microbiology, Oxford, v.5, p.240-45, 2002.John Craig Venter é invariavelmente tido como um oportunista na área da genômica/biomedicina e meu amigo Rodrigo, o poeta, tem razão com relação ao fato de que ele não deveria quiçá merecer o mérito que tem por "apenas" re-descobrir técnicas de análise. Já em 1992, Venter publicava um artigo relatando a produção de cerca de 300 sequências parciais de genes humanos expressos no cérebro (o que significava, à época, mais de 10% do GenBank). Entretanto esta técnica de produção das chamadas etiquetas gênicas ou ESTs já havia sido descoberta anos antes sem que ninguém desse muita trela ou percebesse a extrema significância desses estudos -- da maneira análoga ao que Rodrigo agora me alerta sobre a questão metagenômica. Se Venter tem algum mérito no caso das ESTs (na década de 90) e mais recentemente com o boom da genômica ambiental -- e é certo que tem -- esse mérito vem do fato de que foi ele quem mostrou a toda comunidade científica, de forma convincente, de que ambos os estudos eram importantes para nossa melhor compreensão da natureza e da biologia, seja no estudo de espécies ou ambientes. A grande maioria (repare: há exceções) dos grandes pesquisadores de nosso tempo são pessoas que não se dão ao trabalho de verificar o que anda sendo publicado em áreas correlatas de pesquisa e que não veem as grandes possibilidades abertas por outros pesquisadores contemporâneos. Venter, por mais de uma vez, já mostrou seu brilhantismo ao evidenciar de forma clara ao mundo o que estávamos perdendo ao ignorarmos os trabalhos importantíssimos de pessoas como Torsvik. Este trabalho de popularização científica dentro da própria academia é muito importante e assim acredito que Venter tenha grande mérito, senão como cientista, ao menos como visionário da ciência do futuro. Sem dúvida, ele é alguém certamente interessado pela biologia e ansioso pelo conhecimento biológico... e a propósito, os trabalhos publicados com seu nome são invariavelmente mais ricos e recheados de dados e análises que os trabalhos feitos por pesquisadores à mesma altura (vide trabalhos sobre o genoma humano). Mas é claro, ele não mereceria exatamente o prêmio Nobel por estas atividades, prêmios estes que deveriam ser atribuído aos verdadeiros inventores das técnicas por ele popularizadas, se um dia a academia achá-los suficientemente dignos para tanto. Não obstante, a contribuição do careca é incalculável para a ciência genômica moderna.Aproveito a oportunidade para agradecer ao Sr. Rodrigo pela crítica que ajudou a enriquecer a presente discussão, e por me permitir dar crédito à nossa amiga norueguesa Vigdis Torsvik, cuja carreira científica deve ter decolado depois que teve uma ajudinha vinda do popstar da genômica. Abraços!== Referências Bibliográficas ==* Angly FE, Felts B, Breitbart M, Salamon P, Edwards RA, Carlson C, Chan AM, Haynes M, Kelley S, Liu H, Mahaffy JM, Mueller JE, Nulton J, Olson R, Parsons R, Rayhawk S, Suttle CA, Rohwer F. The marine viromes of four oceanic regions. PLoS Biol. 2006 Nov;4(11):e368. 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