¿Qué es la metagenómica?
La metagenómica es una disciplina que estudia el contenido genético de microorganismos, incluyendo hongos, bacterias y virus. Muchos experimentos metagenómicos buscan identificar todos los microorganismos en una muestra heterogénea. Esto significa que los microbios pueden estudiarse en su ambiente natural — haciendo posible observar interacciones biológicas complejas.
Los proyectos metagenómicos a menudo involucran:
- Desarrollo terapéutico
- Vigilancia de brotes de enfermedades
- Mejoramiento de cultivos
- Composición de microbioma
Herramientas para metagenómica
1. Secuenciación 16S
El gen 16S rRNA está presente en casi todas las especies bacterianas. Es responsable de codificar el rRNA en organismos auto-replicantes. Los ribosomas luego juegan un rol clave en la síntesis de proteínas.
La información genética del 16S rRNA tiene aplicaciones en:
- Microbiología clínica: la secuencia 16S puede usarse para identificar patógenos bacterianos humanos. Particularmente útil en casos infecciosos donde el cultivo tradicional puede fallar. Bases de datos como GenBank permiten a los clínicos identificar microbios a nivel de género o especie.
- Microbiología ambiental: estudio de microbios en interacción entre sí y con su ambiente (aire, suelo, agua). El lodo activado, por ejemplo, es parte del tratamiento de aguas residuales — la secuenciación 16S permite entender patrones de actividad y cambios estacionales en abundancia microbiana.
- Estudios de microbioma: perfilan la composición microbiana de comunidades en plantas, animales y humanos. Por ejemplo, estudios analizando datos 16S rRNA para entender los efectos en salud de fibras dietéticas, probióticos y fructanos en el microbioma intestinal humano.
- Desarrollo farmacéutico: la secuenciación 16S juega rol importante en explorar compuestos bacterianos potencialmente útiles en desarrollo de drogas. Particularmente relevante para especies bacterianas que no pueden cultivarse en laboratorio.
2. Secuenciación ITS
La secuencia Internal Transcribed Spacer (ITS) está ampliamente presente en especies fúngicas. Por estar presente con frecuencia, se usa para análisis taxonómico y de diversidad fúngica:
- Identificación de hongos: como la región ITS es altamente variable, se puede usar para distinguir incluso entre especies fúngicas muy cercanas. Particularmente útil en estudios evolutivos, ayudando a científicos a identificar posibles señales de divergencia y relaciones filogenéticas.
- Estudios de biodiversidad: analizan la tasa de biodiversidad en un ecosistema. Por ejemplo, identificación de 23 muestras fúngicas habitantes de madera vía ITS sequencing en la región del noreste de India.
- Investigación en seguridad alimentaria: la región ITS puede usarse para identificar contaminantes potencialmente dañinos. En granos, por ejemplo, el crecimiento fúngico lleva a pérdida significativa durante crecimiento y almacenamiento — un estudio en Uganda identificó 15 géneros de especies fúngicas en granos domésticos, muchos con potencial toxigénico.
3. Shotgun metagenomics
Los dos métodos previos analizan pequeñas porciones de genomas microbianos. Shotgun metagenomics, en contraste, toma una vista mucho más amplia. Con esta tecnología, investigadores pueden estudiar el contenido genómico completo de microorganismos en una muestra heterogénea. A diferencia de 16S e ITS (que se enfocan en bacterias y hongos respectivamente), shotgun puede perfilar bacterias, virus, hongos, archaea e incluso organismos eucariotas.
Esta metodología es valiosa para caracterizar interacciones en ambientes de alta complejidad, con usos probados en:
- Reconstrucción de pathways: datos de shotgun se usan para reconstruir pathways metabólicos en comunidades microbianas. Entender cómo los microorganismos interactúan asiste a investigadores en identificar la función de la comunidad — descomposición, ciclado de nutrientes, fijación de nitrógeno.
- Identificación de especies raras: shotgun puede detectar especies de baja abundancia en una muestra mayor. Combinado con software avanzado, investigadores han identificado exitosamente especies de bacterias con menos del 0.2% de cobertura del genoma.
- Microbiología clínica: shotgun se usa para identificar patógenos en sangre u otras muestras clínicas. Da una vista amplia de todos los patógenos posibles contribuyendo a una enfermedad — valioso en identificar y tratar enfermedades complejas.
- Ecología ambiental: particularmente investigación en comunidades de agua y suelo. Mejor entendimiento de estas comunidades ayuda a caracterizar el interplay de especies en un ecosistema, incluyendo ciclos de nutrientes y efectos de contaminación o cambio climático. En estudios sudafricanos sobre lagos eutróficos, ~50% de los genomas ensamblados no pudieron mapearse a especies existentes — indicando un grado inesperado de diversidad en lagos contaminados.
- Desarrollo de drogas: shotgun puede identificar enzimas con potencial terapéutico o potencial para nuevas reacciones químicas. Por ejemplo, shotgun metagenomics en microbiomas de suelo se ha usado exitosamente para buscar inhibidores naturales del target HsMetAP1 de cáncer.
- Investigación de resistencia antibiótica: shotgun puede perfilar el resistoma e identificar genes relacionados con resistencia. Crucial para entender cómo se propaga la resistencia y puede informar estrategias de manejo de infecciones y stewardship antibiótico.
4. Long-read sequencing / tercera generación
Las tecnologías de high-throughput long-read como PacBio Revio hacen posible obtener secuencias full-length de muestras microbianas. Contigs más largos, genes más completos, y mejor binning de genoma producen resultados más accionables.
En años recientes, long-read ha abordado limitaciones mayores de otros métodos metagenómicos que usan short-read sequencing (<150 bp). Tests han probado que long-read provee más certeza y exactitud en datos metagenómicos.
Por ejemplo, en un estudio de 2024 — long reads del gen 16S rRNA completo proveen resolución taxonómica máxima. DNA fue aislado de saliva, placa subgingival y muestras fecales de 9 voluntarios, luego secuenciado vía short y long-read. Ambas tecnologías categorizaron microbios similarmente a nivel de género. Sin embargo, PacBio long reads fueron más exitosamente categorizados a nivel de especie (74.14% vs 55.23% para short reads).
Resultados similares para identificación fúngica vía long-read sequencing de la región ITS. Pass sequencing múltiple redujo el error rate de long-read a menos del 1%, y secuencias ITS full-length revelaron una comunidad Castanopsis carlesii mycobiome taxonómica y funcionalmente diversa.
Tabla comparativa · ¿qué método elegir?
| Método | Mejor para | Limitación |
|---|---|---|
| 16S rRNA | Bacterias · identificación por género/especie | Solo bacterias · sin info funcional |
| ITS | Hongos · biodiversidad fúngica | Solo hongos |
| Shotgun | Comunidad completa · pathways · resistoma | Mayor costo · mayor profundidad |
| Long-read PacBio | Resolución especie · genomas completos | Costo por base más alto |
Macrogen Iberoamérica · servicios de metagenómica
Operamos el portfolio completo de metagenómica desde nuestros hubs de 🇪🇸 Madrid y 🇨🇱 Santiago conectados a la red Macrogen Inc.:
- 16S/18S/ITS amplicon — perfilado por ASV (DADA2) con análisis de diversidad alfa/beta + asignación taxonómica vs SILVA/UNITE
- Shotgun metagenomics — comunidades complejas, análisis funcional KEGG/COG, detección de resistoma
- Long-read metagenomics en PacBio Revio para resolución a nivel de especie
- Metatranscriptomics para captura de función activa en comunidad
- Bioinformática completa con pipelines validados + reportes ejecutivos en español
- USD para Chile/Perú · EUR para España/Portugal · pick-up gratis Madrid + Santiago
Explorar comunidades microbianas nos permite entender mejor ecosistemas complejos, mejorar diagnóstico de enfermedades, monitorear salud ambiental y descubrir tratamientos médicos novedosos. A medida que la metagenómica continúa evolucionando con tecnología mejorada, sus aplicaciones solo se expandirán.
¿Diseñando un proyecto de metagenómica? Habla con nuestros bioinformáticos — podemos asesorar elección de método (16S vs shotgun vs long-read), diseño experimental y análisis. Consultoría inicial sin costo.
Adaptado de un artículo original de Psomagen (hermana corporativa de Macrogen en EE.UU.). Fuente original ↗