O que é metagenômica?

A metagenômica é um campo da bioinformática e da biologia molecular que nos permite estudar comunidades de organismos microbianos em seus ambientes naturais.

A relevância da metagenômica vai além do mero aumento do conhecimento sobre a biodiversidade microbiana. Ela tem implicações significativas na compreensão das interações microbianas e seu impacto nos ecossistemas e na saúde humana. Por exemplo, o estudo do microbioma humano através da metagenômica tem revelado ligações importantes entre microrganismos e diversas condições de saúde.

Para iniciantes em bioinformática, a metagenômica oferece uma oportunidade de explorar a biologia em um nível genômico sem as restrições dos métodos tradicionais. Este campo está se mostrando fundamental para avanços em áreas como medicina, agricultura e biotecnologia.

Por que usar uma abordagem metagenômica?

Para estudar microrganismos, os cientistas tradicionalmente faziam uma coleta de amostra do ambiente de interesse e isolavam os organismos desta amostra cultivando-os em laboratório. Essa abordagem clássica ainda é muito utilizada e importante, porque nos permite estudar os microrganismos em detalhes e entender como eles se comportam em condições controladas, isolando genes e metabólitos que podem contribuir no ecossistema de onde vieram, e que podem ser utilizados em aplicações biotecnológicas ou médicas.

No entanto, essa abordagem tem suas limitações. A maioria dos microrganismos não podem ser cultivados em laboratório, e os que podem ser cultivados podem ainda se comportar de maneira diferente do que em seu ambiente natural. Além disso, a cultura de microrganismos em laboratório é um processo trabalhoso, e requer conhecimento de situações ideais para o cultivo, como por exemplo, qual o melhor meio de cultura utilizar, quais nutrientes e aminoácidos adicionar neste meio, etc, o que encarece e dificulta o processo.

A abordagem por metagenômica difere das técnicas tradicionais de microbiologia, pois não requer o cultivo de organismos em laboratório. Em vez disso, a metagenômica envolve a coleta de amostras do ambiente de interesse a ser estudado, como solo, água ou o microbioma humano, e o subsequente sequenciamento do DNA presente nessas amostras. Isso nos fornece um vislumbre abrangente e mais fidedigno da diversidade genética e das funções desempenhadas por esses microrganismos.

Quais são os desafios da metagenômica?

Se para realizar um sequênciamento e montagem de um genoma de um organismo já é um processo complexo, imagine para um conjunto de organismos. É como resolver muitos quebra-cabeças nos quais os pedaços foram misturados. Para isso, os algoritmos de montagem precisam separar os pedaços de DNA de cada organismo e montar os genomas de cada um deles, o que a depender da amostra pode ser mais simples ou mais complexo. Amostras de solo, por exemplo, por terem uma altíssima biodiversidade e dificuldade de extração de DNA, são mais complexos de serem montados do que amostras de um lago por exemplo.

Possibilidades científicas

A metagenômica hoje está bastante em alta, pois com o avanço das tecnologias de sequenciamento, muitos grupos de pesquisa estão coletando e sequenciando amostras dos mais variados ecossistemas. Isto também implica na deposição de uma grande quantidade de dados em repositórios públicos e consequentemente em possibilidades variadas de perguntas científicas a serem exploradas, assim como uma maior acessibilidade. Repositórios como o IMG e o MGnify contém inúmeros estudos que podem ser explorados. Por conta da natureza do Big Data, muitas descobertas estão sendo feitas através de análises computacionais, como por exemplo, o funcionamento de pequenas orfs, novos sistemas CRISPR, caracterização e predição estrutural de novas proteínas desconhecidas, dentre outros estudos.

Algumas aplicações

A metagenômica, ao permitir a análise direta do DNA extraído de amostras ambientais, oferece uma janela única para a compreensão dos ecossistemas microbianos. Ela nos permite observar como os microrganismos interagem entre si e com seu ambiente, fornecendo insights cruciais sobre os ciclos biogeoquímicos e a manutenção dos ecossistemas. A análise metagenômica de amostras de solo pode revelar como comunidades microbianas contribuem para a fertilidade do solo e a ciclagem de nutrientes, essenciais para a agricultura sustentável.

Além do meio ambiente, a metagenômica tem um papel significativo na saúde humana. O estudo do microbioma humano é fundamental para entender várias doenças. A análise metagenômica pode revelar alterações no microbioma associadas a condições como obesidade, diabetes, doenças autoimunes e até distúrbios psiquiátricos. Além disso, pode ajudar na identificação de novos patógenos e na compreensão da resistência a antibióticos.

Conclusões

O futuro da metagenômica é promissor e multidisciplinar. Pode-se esperar aplicações revolucionárias em campos como engenharia ambiental, onde a metagenômica pode ser usada para bio-monitoramento e biorremediação, e na medicina personalizada, com o desenvolvimento de terapias baseadas no microbioma. Além disso, a metagenômica pode contribuir para a descoberta de novas biomoléculas com aplicações industriais, como enzimas para biocombustíveis ou novos antibióticos.À medida que a tecnologia avança, podemos esperar descobertas ainda mais surpreendentes e aplicações inovadoras em diversos âmbitos.