thumb|La metagenómica permite el estudio de comunidades microbiales como aquellas presentes en este arroyo que recibe drenaje ácido proveniente de una mina de carbón. La metagenómica se define como el estudio del material genético recuperado directamente de muestras ambientales, sin necesidad de aislar ni cultivar los microorganismos presentes. Este campo ha transformado nuestra comprensión de la biodiversidad microbiana y sus funciones ecológicas en diferentes ambientes.
A diferencia de la microbiología tradicional o de la genómica microbiana clásica, que dependen de la clonación y el cultivo de cepas individuales, la metagenómica analiza de manera directa el ADN total de una comunidad microbiana, permitiendo no solo conocer qué microorganismos están presentes, sino también qué funciones metabólicas y genes poseen.
Con el desarrollo de técnicas de secuenciación masiva (NGS), la metagenómica moderna utiliza tanto la secuenciación de amplicones (por ejemplo, 16S, 18S o ITS) como la secuenciación metagenómica tipo shotgun para recuperar y analizar fragmentos de todos los genes presentes en una muestra ambiental. Estos avances han permitido descubrir nuevos linajes microbianos, reconstruir genomas metagenómicos (MAGs) y explorar las funciones metabólicas de comunidades completas, desde ecosistemas marinos hasta el microbioma humano.
Hoy en día, gracias a la continua reducción en los costos de secuenciación y a la disponibilidad de herramientas bioinformáticas más robustas, la metagenómica permite estudiar la ecología microbiana a una escala y resolución sin precedentes. Este enfoque no solo ha revolucionado la biología ambiental y evolutiva, sino que también tiene aplicaciones en biotecnología, salud humana, agricultura sostenible y monitorización ambiental.
Etimología
El término "metagenómica" fue utilizado por primera vez por, entre otros, Jo Handlesman, Jon Clardly y Robert M. Goodman. Fue en 1998 cuando apareció por primera vez en una publicación científica. El término metagenoma hacía referencia a un abordaje que pretendía analizar una colección de genes secuenciados de una muestra ambiental como si se tratara de un único genoma. Recientemente, Kevin Chen y Lior Pachter (investigadores de la Universidad de California, en Berkeley), definieron la metagenómica como «la aplicación de técnicas genómicas modernas para el estudio directo de comunidades de microorganismos en su entorno natural, evitando la necesidad de aislar y cultivar cada una de las especies que componen la comunidad».
Historia La secuenciación convencional comienza con un cultivo de células idénticas como fuente de ADN. Sin embargo, los primeros estudios metagenómicos revelaron que hay muchos grupos de microorganismos en diferentes ambientes que no pueden ser cultivados y por lo tanto no pueden ser secuenciados. Estos primeros estudios se concentraban en las secuencias de ARN ribosomal 16S que son relativamente cortas, normalmente conservada dentro de una especie, y generalmente diferente entre especies. Muchas secuencias del ARNr 16S que han sido encontradas no corresponden a ninguna especie cultivada, indicando que hay una gran cantidad de organismos que no han sido aislados. Estos estudios de los genes de ARNr que se toman directamente del medio ambiente revelaron que los métodos de cultivos básicos encuentran menos del 1% de las bacterias y arqueas en una muestra. Gran parte del interés en la metagenómica viene de estos descubrimientos, que demostraron que la gran mayoría de los microorganismos han pasado desapercibidos.
Los primeros trabajos moleculares llevados a cabo en el campo fueron dirigidos por Norman R. Pace y sus colegas, quienes usaron PCR para explorar la diversidad de las secuencias de ARN ribosomal. La percepción que se obtuvo a partir de estos estudios tan avanzados condujeron a Pace a proponer la idea de clonar ADN directamente de muestras del medio ambiente a principios de 1985. Esto condujo al primer reporte de aislamiento y clonación ADN desde muestras ambientales, publicado por Pace y sus colegas en 1991, cuando Pace estaba en el Departamento de Biología en la Universidad de Indiana. Considerables esfuerzos aseguraron que no se tratase de falsos positivos del PCR y apoyaron la existencia de una comunidad compleja e inexplorada de especies. Aunque esta metodología estaba limitada a explorar genes no codificadores para proteínas que se conservan bastante, también ayudó a realizar las primeras observaciones microbianas basadas en la morfología demostrando que la diversidad era mucho más compleja que la conocida por los métodos de cultivo. Poco después de eso Healy reportó el aislamiento metagenómico de genes funcionales de "zoolibraries" construidas a partir de un cultivo complejo de organismos ambientales crecidos en un laboratorio en hierbas secas en 1995. Tras dejar el laboratorio de Pace, Edward DeLong continuó en el campo y ha publicado trabajos que básicamente ha fijado las bases de trabajo para ofilogenias ambientales basado en la firma de secuencias 16S, empezando con la construcción de bibliotecas de muestras marinas por parte de su equipo.
En 2002, Mya Breitbart, Forest Rohwer y sus colegas utilizaron la secuenciación de escopeta (ver abajo) para el ambiente para mostrar que 200 litros de agua de mar contienen más de 5000 virus diferentes. Estudios subsiguientes demostraron que hay más de mil especies virales en las heces humanas y posiblemente un millón de virus diferentes por kilogramo de sedimento marino, incluyendo bacteriófagos. Básicamente todos los virus en estos estudios eran especies nuevas. En 2004, Gene Tyson, Jill Banfield, y sus colegas en University of California, Berkeley y el Joint Genome Institute secuenciaron el ADN extraído de un sistema de drenaje de minas de ácidos Este esfuerzo resultó en los genomas completos o casi completos de un grupo de bacterias y arqueas que habían resistido intentos previos para ser cultivados.
thumb|200px|Diagrama de flujo de un proyecto metagenómico típico Empezando en el 2003, Craig Venter, líder del proyecto fundado de manera privada y paralelo al Proyecto del Genoma Humano, dirigió la Expedición Global Oceánica de Muestras (GOS), circunnavegando el globo y recolectando muestras metagenómicas durante todo el viaje. Todas estas muestras se secuenciaron usando secuenciación de escopeta, con la esperanza de que fueran identificados nuevos genomas (y por lo tanto nuevos organismos). El proyecto piloto, que se llevó a cabo en el mar de los Sargazos, encontró ADN de casi 2000 especies diferentes, incluyendo 148 tipos de bacterias nunca vistas anteriormente. Venter ha circunnavegado el globo y explorado a fondo la costa Oeste de Estados Unidos, completó una expedición de dos años para explorar el mar Báltico, el mar Mediterráneo y el mar Negro. Los análisis de la información metagenómica recopilada durante dicho viaje revelaron dos grupos de organismos, uno compuesto de taxones adaptado para condiciones ambientales 'feast or famine', y un segundo compuesto de relativamente menos, pero más abundantes y mejor distribuidos taxones, compuestos principalmente de plankton.
En el 2005 Stephan C. Schuster en Penn State University y sus colegas publicaron las primeras secuencias de una muestra ambiental generada mediante secuenciación de alto rendimiento, en este caso pirosecuenciación masiva y paralela desarrollada por 454 Life Sciences. Otro trabajo que apareció a principios de estos estudios fue de Robert Edwards, Forest Rohwer, y sus colegas en el 2006 en San Diego State University.
Secuenciación
La recuperación de secuencias de ADN superiores a unos pocos miles de pares de bases resultaba extremadamente compleja hasta la aparición de técnicas avanzadas de biología molecular que posibilitaron la construcción de bibliotecas genómicas en cromosomas artificiales bacterianos (BACs, Bacterial Artificial Chromosomes). Estos vectores ofrecen una capacidad de inserción significativamente mayor (hasta 300 kb) y una mayor estabilidad en comparación con los vectores plasmídicos o cosmídicos tradicionales, lo que permitió clonar fragmentos extensos de ADN genómico y facilitó los proyectos de secuenciación a gran escala.
En el contexto de la metagenómica, la recuperación de fragmentos largos de ADN a partir de muestras ambientales representó un reto durante años, debido a la fragmentación del ADN y la complejidad de las comunidades microbianas. Sin embargo, los avances en las técnicas de clonación y la implementación de BACs, junto con el desarrollo de cromosomas artificiales de levadura (YACs) y cromosomas artificiales humanos (HACs), hicieron posible la manipulación y conservación de secuencias genómicas extensas, incluso de organismos no cultivables.
Posteriormente, la revolución de la secuenciación masiva de nueva generación (NGS) y, más recientemente, las plataformas de tercera generación como PacBio SMRT y Oxford Nanopore Technologies, permitieron obtener lecturas largas (long reads) directamente, reduciendo la dependencia de bibliotecas clonadas y mejorando notablemente la cobertura, continuidad y precisión del ensamblaje genómico. Estas tecnologías han sido clave para la reconstrucción de genomas a partir de metagenomas (MAGs) y la exploración de la diversidad microbiana en ecosistemas naturales y artificiales.
En conjunto, la evolución desde las bibliotecas de BACs hasta las tecnologías de lectura larga ha transformado la genómica y la metagenómica, haciendo posible recuperar y ensamblar fragmentos de ADN que antes resultaban inaccesibles, con aplicaciones que abarcan desde la genómica comparativa hasta la ecología microbiana y la biotecnología ambiental. thumb|250px|"Secuenciación ambiental balística (ESS, en inglés). (A) Recogida de muestras ambientales; (B) Filtrado de partículas, comúnmente por tamaño; (C) Lisis y extracción del ADN; (D) Clonación y construcción de la genoteca; (E) Secuenciación de los clones; (F) Ensamblaje de las secuencias en contigs y scaffolds.thumb|250px|Secuenciación shotgun (A) Toma de muestras del hábitat; (B) filtración de partículas, normalmente por tamaño (C) Lisis y extracción de ADN; (D) construcción de la biblioteca; (E) secuenciación; (F) ensamble de secuencias en cóntigos y scaffolds.
Secuenciación de alto rendimiento La secuenciación de alto rendimiento (High-Throughput Sequencing, HTS), también conocida como secuenciación de nueva generación (Next-Generation Sequencing, NGS), ha revolucionado el estudio de la diversidad microbiana y la metagenómica. Estas tecnologías permiten generar millones de lecturas de ADN de forma simultánea, lo que facilita el análisis exhaustivo del material genético presente en muestras ambientales sin necesidad de cultivar los microorganismos.
Los primeros estudios metagenómicos de este tipo emplearon la plataforma 454 Pyrosequencing, la cual marcó el inicio de la era NGS al ofrecer lecturas más rápidas y económicas que la secuenciación tradicional de Sanger. Posteriormente, surgieron otras plataformas como Ion Torrent, Illumina MiSeq/HiSeq/NextSeq, y Applied Biosystems SOLiD, que introdujeron mejoras en precisión, profundidad de lectura y reducción de costos.
En general, estas tecnologías producen lecturas más cortas que la secuenciación de Sanger (~700–900 pb), pero compensan esta limitación con una enorme capacidad de secuenciación. Por ejemplo, mientras que la pirosecuenciación de 454 generaba entre 200–500 megabases de datos, las plataformas Illumina actuales pueden producir más de un terabase (10¹² bases) en una sola corrida, con lecturas que superan los 300 pb por extremo. Esto ha permitido explorar comunidades microbianas complejas y detectar organismos raros o de baja abundancia con una alta resolución sin precedentes.