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Código de barras de ADN microbiano

La codificación de barras de ADN microbiano es el uso de la codificación de barras de ADN para caracterizar una mezcla de microorganismos . La codificación de barras de ADN es un método de codificación de barras de ADN que utiliza marcadores genéticos universales para identificar el ADN de una mezcla de organismos. [1]

Historia


El uso de metabarcoding para evaluar las comunidades microbianas tiene una larga historia. En 1972, Carl Woese , Mitchell Sogin y Stephen Sogin intentaron por primera vez detectar varias familias dentro de las bacterias utilizando el gen 5S rRNA . [2] Solo unos años más tarde, un nuevo árbol de la vida con tres dominios fue propuesto nuevamente por Woese y colegas, quienes fueron los primeros en usar el gen de la subunidad pequeña del ARN ribosómico (SSU rRNA) para distinguir entre bacterias, arqueas y eucariotas . [3] A partir de este enfoque, el gen SSU rRNA se abrió camino hasta convertirse en el marcador genético utilizado con mayor frecuencia tanto para procariotas (16S rRNA) como para eucariotas ( 18S rRNA ). El tedioso proceso de clonación de esos fragmentos de ADN para secuenciar se aceleró con la mejora constante de las tecnologías de secuenciación. Con el desarrollo de HTS (secuenciación de alto rendimiento) a principios de la década de 2000 y la capacidad de manejar estos datos masivos utilizando bioinformática moderna y algoritmos de clúster, investigar la vida microbiana se volvió mucho más fácil.

Marcadores genéticos

La diversidad genética varía de una especie a otra. Por lo tanto, es posible identificar especies distintas mediante la recuperación de una secuencia corta de ADN de una parte estándar del genoma. Esta secuencia corta se define como secuencia de código de barras. Los requisitos para que una parte específica del genoma sirva como código de barras deben ser una alta variación entre dos especies diferentes , pero no muchas diferencias en el gen entre dos individuos de la misma especie para facilitar la diferenciación de especies individuales. [4] [5] Tanto para las bacterias como para las arqueas se utiliza el gen 16S rRNA/rDNA. Es un gen de mantenimiento común en todos los organismos procariotas y, por lo tanto, se utiliza como un código de barras estándar para evaluar la diversidad procariota. Para los protistas, se utiliza el gen 18S rRNA/rDNA correspondiente. [6] Para distinguir diferentes especies de hongos, se utiliza la región ITS ( Espaciador interno transcrito ) del cistrón ribosómico . [7]

Ventajas

La diversidad existente del mundo microbiano aún no se ha desentrañado por completo, aunque sabemos que está compuesta principalmente por bacterias, hongos y eucariotas unicelulares. [4] La identificación taxonómica de eucariotas microbianos requiere una experiencia extremadamente hábil y a menudo es difícil debido al pequeño tamaño de los organismos, los individuos fragmentados, la diversidad oculta y las especies crípticas . [8] [9] Además, los procariotas simplemente no pueden asignarse taxonómicamente utilizando métodos tradicionales como la microscopía , porque son demasiado pequeños y morfológicamente indistinguibles. Por lo tanto, mediante el uso de metabarcoding de ADN, es posible identificar organismos sin experiencia taxonómica haciendo coincidir fragmentos de genes cortos derivados de secuencias de alto rendimiento (HTS) con una base de datos de secuencias de referencia, por ejemplo, NCBI . [10] Estas cualidades mencionadas hacen que el código de barras de ADN sea un método rentable, confiable y que requiere menos tiempo, en comparación con los tradicionales, para satisfacer la creciente necesidad de evaluaciones ambientales a gran escala.

Aplicaciones

Muchos estudios siguieron el primer uso de Woese et al. y ahora cubren una variedad de aplicaciones. No solo se utiliza el metabarcoding en la investigación biológica o ecológica. También se utilizan códigos de barras bacterianos en medicina y biología humana, por ejemplo, para investigar el microbioma y la colonización bacteriana del intestino humano en gemelos normales y obesos [11] o estudios comparativos de la composición bacteriana intestinal de recién nacidos, niños y adultos. [12] Además, el código de barras juega un papel importante en el biomonitoreo de, por ejemplo, ríos y arroyos [13] y la restauración de pastizales. [14] La parasitología de la conservación, la parasitología ambiental y la paleoparasitología también dependen del código de barras como una herramienta útil en la investigación y el manejo de enfermedades. [15]

Cianobacterias

Las cianobacterias son un grupo de procariotas fotosintéticos . Al igual que en otros procariotas, la taxonomía de las cianobacterias que utiliza secuencias de ADN se basa principalmente en la similitud dentro del gen ribosomal 16S . [16] Por lo tanto, el código de barras más común utilizado para la identificación de cianobacterias es el marcador 16S rDNA . Si bien es difícil definir especies dentro de los organismos procariotas, el marcador 16S se puede utilizar para determinar unidades taxonómicas operativas (OTU) individuales. En algunos casos, estas OTU también se pueden vincular a especies definidas tradicionalmente y, por lo tanto, se pueden considerar una representación confiable de las relaciones evolutivas . [17]

Cianobacterias del género Dolichospermum, vistas al microscopio.

Sin embargo, al analizar una estructura taxonómica o la biodiversidad de una comunidad cianobacteriana completa (ver metabarcoding de ADN ), es más informativo utilizar marcadores específicos para cianobacterias. Los cebadores bacterianos universales 16S se han utilizado con éxito para aislar el ADNr de cianobacterias de muestras ambientales , pero también recuperan muchas secuencias bacterianas. [18] [19] El uso de marcadores 16S específicos de cianobacterias [20] o fitoespecíficos se utiliza comúnmente para centrarse solo en las cianobacterias. [21] Se han probado algunos conjuntos de dichos cebadores para códigos de barras o metabarcoding de muestras ambientales y dieron buenos resultados, eliminando la mayoría de los organismos no fotosintéticos o no cianobacterianos. [22] [21] [23] [24]

El número de genomas de cianobacterias secuenciados disponibles en bases de datos está aumentando. [25] Además del marcador 16S, los estudios filogenéticos podrían incluir también secuencias más variables, como secuencias de genes codificantes de proteínas (gyrB, rpoC, rpoD, [26] rbcL, hetR, [27] psbA, [28] [29] rnpB, [30] nifH, [31] nifD [32] ), espaciador transcrito interno de genes de ARN ribosómico (16S-23S rRNA-ITS) [33] [25] o espaciador intergénico de ficocianina (PC-IGS). [33] Sin embargo, nifD y nifH solo se pueden utilizar para la identificación de cepas de cianobacterias fijadoras de nitrógeno.

El código de barras de ADN de las cianobacterias se puede aplicar en varios estudios ecológicos, evolutivos y taxonómicos. Algunos ejemplos incluyen la evaluación de la diversidad y la estructura de la comunidad de cianobacterias, [34] la identificación de cianobacterias dañinas en cuerpos de agua ecológica y económicamente importantes [35] y la evaluación de simbiontes cianobacterianos en invertebrados marinos . [24] Tiene el potencial de servir como parte de los programas de monitoreo de rutina para la aparición de cianobacterias, así como la detección temprana de especies potencialmente tóxicas en cuerpos de agua. Esto podría ayudarnos a detectar especies dañinas antes de que comiencen a formar floraciones y, por lo tanto, mejorar nuestras estrategias de gestión del agua. La identificación de especies basada en ADN ambiental podría ser particularmente útil para las cianobacterias, ya que la identificación tradicional mediante microscopía es un desafío. Sus características morfológicas, que son la base para la delimitación de las especies, varían en diferentes condiciones de crecimiento. [20] [36] La identificación bajo microscopio también requiere mucho tiempo y, por lo tanto, es relativamente costosa. Los métodos moleculares pueden detectar una concentración mucho menor de células cianobacterianas en la muestra que los métodos de identificación tradicionales.

Bases de datos de referencia

La base de datos de referencia es una colección de secuencias de ADN, que se asignan a una especie o a una función. Se puede utilizar para vincular secuencias moleculares obtenidas de un organismo a una taxonomía preexistente. Las bases de datos generales como la plataforma NCBI incluyen todo tipo de secuencias, ya sean genomas completos o genes marcadores específicos de todos los organismos. También hay diferentes plataformas donde solo se almacenan secuencias de un grupo distinto de organismos, por ejemplo, la base de datos UNITE [37] exclusivamente para secuencias de hongos o la base de datos PR2 únicamente para secuencias ribosómicas de protistas. [38] Algunas bases de datos están curadas, lo que permite una asignación taxonómica con mayor precisión que el uso de bases de datos no curadas como referencia.

Véase también

Referencias

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