بیوانفورماتیک و متاژنومیکس

فاطمه فراهانی کنگرانی

نویسنده

دانش آموخته زیست شناسی دانشگاه اراک

بیوانفورماتیک و متاژنومیکس

شاخه ژنومیکس دارای زیرشاخه های ژنومیکس عملکردی،ژنومیکس ساختاری،ژنومیکس مقایسه ای،اپی ژنومیکس،متاژنومیکس،فارماکوژنومیکس و.. میباشد.

در این مقاله با زیرشاخه متاژنومیکس و ارتباط آن با بیوانفورماتیک آشنا می شوید.

متاژنومیکس تکنیک قدرتمندی برپایه نسل جدید توالی یابی جهت مطالعه و بررسی محیط های میکروبی به ویژه به منظور مشخص کردن کل محتوای ژنتیکی آن میباشدو تنوع میکروبی موجود درمحیط بررسی می شود.

متاژنومیکس

متاژنومیکس به مطالعه ماده ژنتیکی میکروبی که به طور مستقیم از نمونه های محیطی بدست آمده است،گفته میشود و به عنوان ژنتیک زیست محیطی یا ژنومیک جامعه هم نامیده می شود.

به عبارتی متاژنومیکس ‏ 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.‏

محققان در مناطق مختلف جهان با مطالعه و کشف متاژنومیکس بدنبال یافتن ترکیباتی همچون آنتی بیوتیک های جدید، ترکیبات ضد سرطان، آنزیم های جدید و مولکول های زیستی هستند.

تحقیقات متاژنومیکس را می توان در مورد محیط های مختلفی مانند بدن موجودات زنده، انواع محیط های حاوی جوامع میکروبی 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 و از نتایج آن 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.‏

به دلیل توانایی در آشکارکردن تنوع پنهان زندگی میکروسکوپی، متاژنومیکس ابزاری قدرتمند برای مشاهده دنیای میکروبی محسوب می شود که پتانسیل متحول کردن فهم کل دنیای زنده را دارد.

میکروارگانیسم ها دو سوم تنوع زیستی کره زمین را تشکیل می دهند. در بسیاری از محیط ها، 99 درصد میکروارگانیسم ها را نمی توان با استفاده از فناوری های کشت میکروبی موجود، در شرایط آزمایشگاه کشت داد، که این موضوع سبب محدودیت در درک فیزیولوژی، ژنتیک و اکولوژی جامعه میکروبی می گردد،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 DNAکل میکروبی به طور مستقیم از نمونه های زیست محیطی استخراج شده و ارزیابی های ژنتیکی بر روی آن ها انجام می شود.

پیشرفت های اخیر در فناوری های توالی یابی از قبیل شات گان( shotgun sequencing ) ، پایروسکونسینگ و روش های محاسباتی و بیوانفورماتیک سبب پیشرفت دانش متاژنومیکس در ارائه دیدگاهی اجمالی از زیست میکروارگانیسم های غیر قابل کشت در آزمایشگاه شده است.

تحقیقات متاژنومیکس با مطالعات نظم آرایی ژن، ژنومیکس عملکردی و بیان ژن ها، پروتئومیکس، متابولومیکس و همچنین مطالعات میکروسکوپی ارتباط و همبستگی نزدیک داشته و در حال حاضر بینش درستی 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.

فناوری متاژنومیکس یک فرآیند چند مرحله ای بوده که متکی بر چهارمرحله اصلی می باشد،شامل مراحل زیر میباشد:

جداسازی ماده ژنتیکی کل موجودات زنده میکروسکوپی موجود در محیط مورد مطالعه
انتقال مواد ژنتیکی به ناقل ها
ساخت کتابخانه ژنومی
تجزیه و تحلیل مواد ژنتیکی در کتابخانه متاژنومیکس

اطلاعات بدست آمده از کتابخانه های متاژنومیکس می تواند نقش بسیار موثری در توسعه جنبه های کاربردی میکروارگانیسم ها در صنعت، کشاورزی، پزشکی و محیط زیست داشته باشد.استفاده ازاطلاعات فراهم شده از فناوری متاژنومیکس به گونه ای است که می تواند در ایجاد تعامل بهتر جامعه انسانی با محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد.

مسیر مطالعات متاژنومیکس

با توجه به شکل،متاژنومیکس به دو مطالعه اولیه تقسیم می شود:متاژنومیکس ساختاری و متاژنومیکس عملکردی

متاژنومیکس ساختاری(Structural Metagenomics) مطالعه متمرکز بر ساختار جوامع میکروبی است.مطالعه ساختار جامعه میکروبی بردرک روابط بین مولفه های میکروارگانیسم برای ایجاد جامعه یک محیط متمرکز می شود. روابط بین اجزای موجود در جامعه میکروبی اطلاعات اساسی برای مطالعه اکولوژی و عملکردهای زیستی است.

متاژنومیکس عملکردی(Functional Metagenomics) مطالعه متمرکز بر استفاده از ژن های رمزگذار یک پروتئین خاص است.متاژنومیکس عملکردی یک چالش جدید در کشف ترکیبات طبیعی است که می تواند در صنعت بیوتکنولوژی مورد استفاده قرار گیرد. روش های اساسی در متاژنومیک عملکردی برای دستیابی به آنزیم های جدید مانند ساخت ژن ، غربالگری ، بیان ژن انجام شده است ومی تواند توسط بیوانفورماتیک تجزیه و تحلیل شود.

دو رویکرد ، متاژنومیکس ساختاری و عملکردی ،استراتژی برای کشف جوامع میکروبی در مطالعات زیست محیطی و بیوتکنولوژی است.

ارتباط بیوانفورماتیک و متاژنومیکس

فناوری متاژنومیکس امروزه معمولاً در اکولوژی میکروبی برای بررسی جزئیات بیشتر اجتماعات میکروبی از جمله بسیاری از سویه های قابل کشت در آزمایشگاه ، استفاده می شود. تجزیه و تحلیل های بیوانفورماتیک امکان استخراج مجموعه داده های بزرگ متاژنومیکس و کشف الگوهای کلی حاکم بر اکوسیستم های میکروبی را فراهم می کند.

با این حال،یافته های تجزیه و تحلیل متاژنومیکس و بیوانفورماتیک معمولی هنوز به طور کامل اکولوژی و تکامل میکروب ها را در محیط آنها توصیف نمی کند.

تکنیک های جدید به ما امکان می دهد فراتر از تجزیه و تحلیل معمولی،دانش خود را از اکوسیستم های میکروبی گسترش دهیم.

باید پایگاه داده های مرجع غنی سازی شود، سیستم عامل هایی را که امکان تجزیه و تحلیل متا یا جامع مجموعه داده های متاژنومیکس متنوع را فراهم می کندوروش های بیوانفورماتیک قدرتمندتری را برای تجزیه و تحلیل داده ها از دیدگاه های مختلف ایجاد شود.

اگرچه میکروب ها در اکوسیستم های مختلف نقش اساسی دارند،اما اکثر آنها هنوز با جزئیات مشخص نشده اند.به کمک بیوانفورماتیک،که هدف آن کشف مفاهیم و قوانین زیستی جدید بر اساس داده های مقیاس بزرگ است،انتظار می رود سرعت کشف در مناطق بررسی نشده جهان میکروبی را تسریع کند.

درآخر نتیجه می گیریم

متاژنومیکس در طول دهه گذشته به بررسی ژنوم های میکروارگانیسم های غیر قابل کشت می پردازد،که کمک زیادی به کشف جوامع میکروبی می کند.

امید است با پیشرفت این علم به صنعت زیست شناسی و درمان کمک زیادی نمود.