Metagenomika zajmuje się badaniem próbek materiału genetycznego pobranych bezpośrednio ze środowiska. W ten sposób można poznać mechanizmy adaptacyjne organizmów, ich metabolity oraz kontrolę ekspresji genów bez kultywowania ich samych w laboratorium. Wykonanie takich badań składa się z następujących etapów:
- Izolacji DNA z próbki z danej niszy
- Konstrukcja bibliotek genowych
- Wyszukiwanie klonów o unikalnych cechach
- Charakteryzacja molekularna oraz biochemiczna
Poprawne przeprowadzenie pierwszego etapu badań – izolacji materiału genetycznego – jest kluczowe dla późniejszych etapów. Wyekstrahowane DNA musi być w odpowiednim stanie (wystarczająco długie łańcuchy wyizolowane z jak największej ilości komórek). Konieczny jest również brak zanieczyszczenia substancjami mogącymi wpływać na jego jakość oraz na działanie enzymów służących do jego obróbki, takimi jak kwasy humusowe czy fulwowe. Sama izolacja DNA z komórek odbywa się za pomocą dwóch metod: ekstrakcji bezpośredniej „in situ” oraz pośredniej „ex situ”. O ile pierwsza metoda dobrze odwzorowuje różnorodność środowiska danej niszy, o tyle próbki zostają zanieczyszczone wspomnianymi kwasami humusowymi, a także eukariotycznym DNA, co znacznie utrudnia prowadzenie badań. Druga metoda wyklucza jakiekolwiek zanieczyszczenia, jednak ilość odzyskanego DNA jest znacznie mniejsza. Jednak zanim dojdzie do izolacji DNA, trzeba oddzielić komórki od cząsteczek gleby, a je same poddać lizie. Następnie mamy wiele fragmentów DNA z różnych mikroorganizmów. Stajemy w tym momencie przed kolejnym wyzwaniem - wyekstrahowane DNA rzadko kiedy zawiera jednakową ilość materiału genetycznego każdej z populacji. Jak zatem zwiększyć ilość DNA mikroorganizmów, których ilości mogą być w próbce wręcz śladowe? Na drodze normalizacji. Jej technik jest wiele – interkalacja z odpowiednim reagentem (np. bis-benzymid), denaturacja i oddzielanie podczas annealingu, SSH, SIP itp. Wszystkie jednak dają podobny efekt – znormalizowana próbka DNA reprezentująca każdy z organizmów wyizolowanych z niszy.
Teraz nadszedł czas na drugi etap badań – konstruowanie bibliotek genowych. Innymi słowy – wszczepianie do dobrze poznanych bakterii wyizolowanych, odpowiednio spreparowanych odcinków DNA. Odbywa się to, zależnie od wielkości łańcuchów, za pomocą odpowiednich wektorów – plazmidów, bakteriofagów, kosmidów czy sztucznych chromosomów bakteryjnych.
Trzeci etap badań to w praktyce szukanie igły w stogu siana – wyszukiwanie tych kolonii bakterii, które wykazują unikalne cechy. Często odbywa się to na drodze zautomatyzowanej – tzw. HTS (High Throughput Screening). Na tej podstawie wykrywa się nowe biomolekuły czy kolonie komórkowe posiadające nowe właściwości, na przykład zdolność przeżycia w niekorzystnym środowisku. Gdy uda się zlokalizować kolonię cechującą się nowymi właściwościami, pozostaje je zbadać i opisać (czyli etap czwarty).
Co więc dają nam badania metagenomowe? Dostarczają mnóstwo danych dotyczących ewolucji mikroorganizmów, wgląd w ich różnorodność i, przede wszystkim, dostęp do genów kodujących użyteczne molekuły, począwszy od enzymów, poprzez białka funkcjonalne, po nowoczesne antybiotyki. Przykładem może być tejksobaktyna – nowy, odkryty niespełna rok temu antybiotyk, skuteczny przeciwko MRSA oraz innym, wyjątkowo opornym szczepom. A wszystko dzięki bakteriom, których nie da się hodować w warunkach laboratoryjnych, a które występują naturalnie w glebie.
Metagenomika to zatem niezwykle ważna nauka, dająca nam wiele nowych możliwości – zarówno w kwestii poznania świata bakterii, jak i wykorzystania ich dla dobra ludzkości
Rafał Madaj
KOMENTARZE