Metagenomika to nowoczesna metoda, która zrewolucjonizowała badania genetyczne, umożliwiając określenie wpływu genomu bakteryjnego na procesy fizjologiczne zachodzące w organizmie człowieka.
Metagenomika, nazywana również genomiką populacyjną lub środowiskową, jest metodą analizy genomu mikroorganizmów zasiedlających określony mikrobiom. Polega na klonowaniu i badaniu materiału genetycznego pozyskanego bezpośrednio ze środowiska naturalnego. W tym wypadku, wybranego mikrobiomu człowieka (np. mikrobiomu jelit).
Ludzki genom zawiera jednie 20% niezbędnych genów
W trwającym niemal 13 lat i zakończonym w 2003 roku projekcie mapowania ludzkiego genomu (Human Genome Project) odkryto, że zawiera on zaledwie 23 tysiące genów. Jest to mniej więcej tyle, ile znajduje się w genomie muszki owocowej. O wiele za mało, żeby tak złożony organizm mógł prawidłowo funkcjonować. Naukowcy spodziewali się, że będzie ich przynajmniej 5 razy więcej.
Rozwiązanie tej zagadki okazało się zaskakujące. Obecnie wiemy, że procesy fizjologiczne w organizmie człowieka kodowane są w większości przez geny mikroorganizmów, które wchodzą w skład naszego mikrobiomu, czyli wszystkich mikroorganizmów bytujących w organizmie człowieka. A jest on bardzo liczny – bakteryjnych komórek zasiedlających nasz organizm jest ok. 10 razy więcej niż naszych własnych, a wirusów 100 razy tyle. Sumarycznie, mikrobiom człowieka jest nosicielem ok. 10 milionów genów, więc nasze geny stanowią jedynie niewielką część genomu superorganizmu jaki tworzymy wspólnie z zamieszkującymi nas mikroorganizmami.
Po zakończeniu projektu mapowania ludzkiego genomu przystąpiono do następnego etapu badań pod nazwą Human Microbiome Project. Ich celem jest wyjaśnienie wzajemnych powiązań pomiędzy genomem człowieka i genomem jego mikrobioty. Jednym z celów tego projektu jest ustalenie czy ludzie posiadają jakiś wspólny, bazowy mikrobiom. Czy też jest on zróżnicowany i indywidualny dla każdego z nas.
Metagenomika umożliwiła badanie metagenomu człowieka
Metagenomika pozwala na badanie tzw. metagenomu, to znaczy na sekwencjonowanie genów wszystkich mikroorganizmów pochodzących z określonego miejsca, np. mikrobiomu jelita lub układu moczowo-płciowego i badanie ich zależności. Umożliwia to określenie jak geny takiej populacji wspólnie wpływają na procesy fizjologiczne.
Aby dowiedzieć, co dokładnie kodują geny bakteryjne i jaki ma to wpływ na fizjologię człowieka musiało minąć jeszcze wiele lat. Brakowało metody, która pozwoliłaby na badanie takich zależności. Dopiero metagenomika umożliwiła szersze zrozumienie wpływu genomu drobnoustrojów, jego metabolicznych zdolności oraz interakcji między poszczególnymi mikroorganizmami.
Powstanie metagenomiki było możliwe dzięki rozwojowi nowoczesnych metod klonowania DNA i sekwencjonowania genów, czyli metod badawczych, które wykorzystywane były wcześniej do badania genomu. Metagenomika pozwala jednak na dużo szerszą analizę – bada genom całej populacji mikroorganizmów. Pozwala to ocenić działanie genów pochodzących od różnych gatunków mikroorganizmów zasiedlających mikrobiom. Dzięki niej możemy więc sekwencjonować geny całych populacji bakteryjnych, a nie tylko poszczególnych szczepów i zrozumieć na jakie procesy fizjologiczne wpływają.
Prowadzone wcześniej badania genetyczne mikrobiomu człowieka pozwoliły ustalić, że populacje bakterii pochodzące z różnych części ciała, np. mikrobiom jelitowy czy mikrobiom skóry, bardzo się różnią. Należy je jednak traktować jak oddzielne, ale silnie połączone ekosystemy, wpływające na siebie wzajemnie.
Wykorzystanie metagenomiki w badaniach mikroflory jelitowej
Mikrobiom przewodu pokarmowego człowieka jest ekosystemem złożonym z wielkiej różnorodności mikroorganizmów. Szacuje się, że w jelicie człowieka bytuje ok. 1000 gatunków bakterii, które są nosicielami ok 3,5 miliona unikalnych genów, czyli 150 razy więcej niż wynosi cały genom człowieka.
Przez to, że warunki panujące w jelitach pozwalają na rozwój tak dużej populacji bakteryjnej, która dodatkowo zasilana jest mikroorganizmami pochodzącymi z pożywienia, wpływ mikrobioty jelitowej na organizm jest bardzo duży. Jednak jego badanie jest trudne, z uwagi na praktyczne problemy z pobieraniem próbek mikroflory jelitowej, szczególnie mikroorganizmów zasiedlających jelito cienkie.
Sytuację komplikuje też fakt, że jedynie część bakterii wchodzących w skład naszego mikrobiomu można hodować w sztucznych warunkach. Szacuje się, że w zależności od miejsca bytowania, nawet do 80% bakterii pochodzących z mikrobioty człowieka nie jest możliwa do hodowli w laboratorium. Drastycznie ogranicza to możliwości poznania ich zróżnicowania genetycznego, fizjologii i wpływu na nasz organizm.
Metagenomika umożliwia badanie mikroorganizmów, których nie można hodować w laboratoriach
Metagenomika umożliwiła poznanie genomu mikroorganizmów bez konieczności ich izolacji i hodowli, a więc sekwencjonowanie genów tych mikroorganizmów, których nie da się hodować w warunkach laboratoryjnych. Pozwala to na analizę właściwości biologicznych i identyfikację substancji syntetyzowanych przez dotąd niepoznane bakterie. Dzięki temu możemy poznać genom praktycznie całego mikrobiomu i badać jego wpływ na organizm człowieka.
Mikrobiom jelitowy odgrywa bardzo ważną rolę w utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania jelit i zdrowia człowieka. Brak równowagi lub zaburzenia mikrobiomu jelitowego wpływają negatywnie na procesy fizjologiczne zachodzące nie tylko w przewodzie pokarmowym, ale też w wielu narządach. Dysbioza jelitowa prowadzi też do dysfunkcji bariery jelitowej, co skutkuje zwiększeniem przepuszczalności ściany jelit, tzw. zespołem cieknącego jelita i jest przyczyną wielu poważnych problemów zdrowotnych. Dzięki metagenice możemy poznać zależności pomiędzy zmianami w mikrobiomie, a rozwojem chorób u ludzi.
Podsumowanie
Badania metagenomiczne wyjaśniają wzajemne powiązania między procesami fizjologicznymi, genomem poszczególnych mikrobiomów oraz całym mikrobiomem i jego gospodarzem. Metagenomika umożliwia poznanie tego, które bakterie mają specyficzne geny kodujące cząsteczki związane z określonymi szlakami metabolicznymi. Skład mikrobiomu jelitowego, jego funkcje metaboliczne i wpływ na zdrowie jest jeszcze daleki do całkowitego poznania, ale metagenomika jest obecnie jedną najbardziej skutecznych metod badawczych i może dostarczyć wiele odpowiedzi na pytania naukowców.
Wpływ mikrobiomu przewodu pokarmowego na zdrowie jest przedmiotem intensywnych badań, ponieważ coraz więcej dowodów naukowych potwierdza, że przyczyna bardzo wielu chorób leży w dysfunkcji lub zaburzeniu składu mikroflory jelitowej. Dzięki metagenomice medycyna zyskała potężne narzędzie pomagające zrozumieć przyczyny powstania i mechanizm rozwoju wielu chorób, a w niedalekiej przyszłości być może skuteczne sposoby, aby je wykryć lub im zapobiec.
Piśmiennictwo
- Turnbaugh, P., Ley, R., Hamady, M. et al. The Human Microbiome Project. Nature 449, 804–810 (2007). https://doi.org/10.1038/nature06244
- Olszewska J., Jagusztyn-Krynicka E.: Human Microbiome Project – Mikroflora jelit oraz jej wpływ na fizjologię i zdrowie człowieka. Postępy Mikrobiologii. 2012, 51, 4, 243–256
- Qin, J., Li, R., Raes, J. et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature 464, 59–65 (2010). https://doi.org/10.1038/nature08821
- Bunyavanich S. i wsp.: Early-life gut microbiome composition and milk allergy resolution. Journal of Allergy and Clinical Immunology, Volume 138, Issue 4, October 2016, P. 1122-1130
- Czuba K.: Metagenomika – nowa strategia identyfikacji mikroorganizmów. http://laboratoria.net/artykul/21071.html.
- Donovan H. Parks, Robert G. Beiko, Identifying biologically relevant differences between metagenomic communities, Bioinformatics, Volume 26, Issue 6, 15 March 2010, P. 715–721
- Binek M. Mikrobiom człowieka – zdrowie i choroba. Postępy Mikrobiologii 2012;51:27-36
- Rahul Shubhra Mandal, Sudipto Saha, Santasabuj Das, Metagenomic Surveys of Gut Microbiota Genomics, Proteomics & Bioinformatics, Volume 13, Issue 3, 2015, Pages 148-158,
