متاژنومیکس : کاوش دنیای میکروبی بدون کشت
متاژنومیکس شاخهای از علم ژنتیک است که به مطالعه ژنوم های تمام ارگانیسم های موجود در یک نمونه محیطی بدون نیاز به کشت و جداسازی تک تک گونه ها می پردازد. این رویکرد، که از DNA مستقیماً استخراج شده از محیط استفاده میکند، امکان بررسی جوامع میکروبی پیچیده را فراهم می آورد و درک ما از تنوع زیستی، عملکردهای اکولوژیکی و روابط تکاملی را دگرگون کرده است.
تاریخچه متاژنومیکس
ریشه های متاژنومیکس به اوایل قرن بیستم باز می گردد، اما پیشرفت های کلیدی در دهه های اخیر رخ داده است. در سال ۱۹۷۷، کارل ووز با استفاده از توالی یابی RNA ریبوزومی ۱۶S، حوزه archaea را به عنوان شاخه سوم زندگی معرفی کرد و نشان داد که روش های کشت سنتی تنها کمتر از ۱٪ از گونه های باکتریایی و archaeal را پوشش می دهند.
اکوژنتیک
ژنتیک زیست محیطی، ecogenomics یا (ژنومیک جامعه) مطالعه ماده ژنتیکی میکروبی که به طور مستقیم از نمونه های محیطی بدست آمده است. به عبارتی متاژنومیکس Metagenomics به توالی یابی و آنالیز DNA استخراج شده به طور مستقیم از نمونه های محیطی بدون نیاز به کشت ارگانیسم های موجود در نمونه گفته می شود.
چرا متاژنومیکس؟
تحقیقات متاژنومیک را می توان در مورد محیط های مختلفی مانند بدن موجودات زنده، انواع محیط های حاوی جوامع میکربی مانند غذاهای تخمیری، خاک، فیلوسفر، بستر اقیانوس، آب های دریاها و چشمه ها، معادن اسیدی و نواحی بسیار شور، نواحی بسیار داغ و … به کار برد. از نتایج آن نیز در تهیه تنوع فیلوژنتیکی و و تنوع متابولیکی و برای فهم نقش بیوشیمیایی میکروارگانیسم های غیر قابل کشت و برهمکنش آنها با دیگر فاکتورهای زیستی و غیر زیستی حیات استفاده کرد. متاژنومیکس
مطالعه پروکاریوت ها
بیش از ۹۹ درصد از پروکاریوت های محیط زیست را نمی توان با استفاده از فناوری های کشت میکروبی موجود، در شرایط آزمایشگاه کشت داد. این موضوع سبب محدودیت در درک فیزیولوژی، ژنتیک و اکولوژی جامعه میکروبی می شود. راه حل مناسب رفع این مشکل استفاده از دانش و ابزاری جامع به نام متاژنومیکس است که در آن بدون کشت میکروارگانیسم ها، تنوع میکروبی موجود در محیط مورد نظر بررسی می شود. در این روش DNA کل میکروبی به طور مستقیم از نمونه های زیست محیطی استخراج شده و ارزیابی های ژنتیکی بر روی آن به انجام می رسد. متاژنومیکس
ابزار مطالعه متاژنومیکس
پیشرفت های اخیر در فناوری های توالی یابی از قبیل شات گان، پایروسکونسینگ و روش های محاسباتی و بیوانفورماتیک سبب پیشرفت دانش متاژنومیکس در ارائه دیدگاهی اجمالی از زندگی میکروب های غیر قابل کشت در آزمایشگاه گردیده است. در واقع متاژنومیکس عرصه ای جدید و ترکیب یافته از زیست شناسی مولکولی و ژنتیک است.
تحقیقات متاژنومیکسی با مطالعات نظم آرایی ژن، ژنومیکس عملکردی و بیان ژنها، پروتئومیکس، متابولومیکس و همچنین مطالعات میکروسکوپی ارتباط و همبستگی نزدیک داشته و در حال حاضر بینش صحیحی را در حل مشکلاتی از قبیل تکامل ژنوم و عدم توانایی ما در درک جایگاه ویژه اغلب میکروارگانیسم هایی که نمی توان کشت خالصی از آنها تهیه نمود، ارائه داده است. پروسه متاژنومیکس شامل استخراج DNA ژنومی به طور مستقیم از نمونه های محیطی و آنالیز آنها بر پایه توالی و عملکرد ژن ها می باشد.
مراحل متاژنومیکس
این فناوری به صورت یک فرایند چند مرحله ای بوده که متکی بر چهار مرحله اصلی می باشد :
۱- جداسازی ماده ژنتیکی کل موجودات زنده میکروسکوپی موجود در محیط مورد مطالعه
۲- انتقال مواد ژنتیکی به ناقلها
۳- ساخت کتابخانه ژنومی
۴- تجزیه و تحلیل مواد ژنتیکی در کتابخانه متاژنومیکس.
اطلاعات بدست آمده از کتابخانه های متاژنومیکسی می تواند نقش بسیار موثری در توسعه جنبه های کاربردی میکروارگانیسم ها در صنعت، کشاورزی، پزشکی و محیط زیست داشته باشد. گستره بهره برداری از اطلاعات فراهم آمده از فناوری متاژنومیکس به گونه ای است که می تواند در ایجاد تعامل بهتر جامعه انسانی با محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد. متاژنومیکس
اصول و روشهای متاژنومیکس
متاژنومیکس شامل مراحل استخراج DNA، توالییابی، مونتاژ و تحلیل است.
استخراج و غنی سازی DNA
DNA متاژنومیک مستقیماً از نمونه های محیطی (مانند خاک، آب یا روده) استخراج می شود. روش های مستقیم (لیز فیزیکی و شیمیایی) ساده اما با خلوص پایین هستند، در حالی که روش های غیر مستقیم (جداسازی سلول ها) خلوص بالاتری ارائه می دهند.
توالی یابی
رویکرد shotgun metagenomics DNA را به قطعات تصادفی خرد کرده و توالی یابی می کند. فناوری های NGS مانند Illumina (خوانش های کوتاه، پربازده) و TGS مانند PacBio و Oxford Nanopore (خوانش های بلند، اما با خطای بیشتر) استفاده می شوند.
مونتاژ
مونتاژ ژنوم ها از خوانش ها چالش برانگیز است. الگوریتم هایی مانند Velvet (بر اساس گراف de Bruijn) و MetaVelvet برای مدیریت تکرارهای بین ژنومی و واریانت ها استفاده می شوند.
تحلیل
تحلیل، شامل فیلتر کردن توالی ها، binning (گروه بندی بر اساس شباهت یا ترکیب)، پیش بینی ژن ها با ابزارهایی مانند GeneMark و annotation عملکردی است.
کاربردهای متاژنومیکس
کاربردهای محیطی
متاژنومیکس تنوع میکروبی در خاک، آب و محیط های دشوار را بررسی می کند. برای مثال، این فناوری موفق شده است در خاک، آنتی بیوتیک هایی مانند Turbomycin A شناسایی کند. همچنین در اقیانوس ها، پروژه Tara Oceans جوامع میکروبی را نقشه برداری کرده و نشان داده که دما بر توزیع عمودی تأثیر دارد.
کاربردها در صنعت کشاورزی
در کشاورزی، متاژنومیکس تعاملات بین گیاه و خاک را برای بهبود بازده محصول تحلیل می کند. همچنین، آنزیم هایی مانند xylose isomerase برای تولید سوخت زیستی از کتابخانه های متاژنومیک استخراج می شود.
کاربردهای پزشکی
با کمک متاژنومیکس، آنتی بیوتیک های جدیدی مانند malacidins کشف شده و در تشخیص عفونت ها (مانند arbovirus) کاربرد دارد. بررسی تغییرات میکروبی مرتبط با بیماری هایی مانند نکروزانتروکولیت روده در نوزادان نارس نیز با این تکنیک انجام می شود.
چالش ها و روندهای آینده
مهمترین چالش ها و محدودیت ها را می توان به شرح ذیل طبقه بندی کرد:
- پوشش ناهموار، تکرارهای بین ژنومی، واریانت های ژنتیکی و نیاز به حافظه بالا در مونتاژ است.
- استخراج ناقص DNA کم فراوانی، بیان ژن های هترولوگ پایین و پایگاه های داده ناقص.
در آینده، توالی یابی خوانش بلند، هوش مصنوعی برای تحلیل و ادغام با متاترانسکریپتومیکس پیشرفت خواهد کرد، و کاربردها در سلامت عمومی و بیورمدیاسیون گسترش می یابد.
متاژنومیکس دریچه ای نو به دنیای نامرئی میکروب ها گشوده و تأثیرات عمیقی بر علم و فناوری گذاشته است. با غلبه بر چالش ها، این زمینه می تواند به حل مسائل جهانی مانند مقاومت آنتی بیوتیکی، تغییرات آب و هوایی و سلامت انسان کمک کند. تحقیقات آینده بر بهبود دقت و دسترسی تمرکز خواهد داشت تا این ابزار قدرتمند را برای جوامع علمی گسترده تر در دسترس قرار دهد.
