Applications du séquençage de l'ARNr 16S

Le gène 16S rRNA, une séquence d'ADN codant pour l'ARNr présente dans le génome de toutes les bactéries, est un marqueur moléculaire essentiel en écologie microbienne en raison de son existence universelle et de ses caractéristiques évolutives uniques.

Étant donné que le gène 16S rRNA reste conservé au sein des bactéries et possède des régions hypervariables qui peuvent offrir des signatures de séquence spécifiques à chaque espèce, il devient un outil largement utilisé pour l'identification bactérienne et les études phylogénétiques. Ses caractéristiques de traitement rapide, de rentabilité et de haute précision le rendent particulièrement attrayant. L'utilisation du Séquençage de l'ARNr 16S la technique a largement pénétré la recherche fondamentale et des domaines tels que la microbiologie médicale, la science judiciaire, la microbiologie agricole et industrielle.

Recherche fondamentale

Séquençage de l'ARNr 16S joue un rôle essentiel dans les enquêtes générales, y compris la taxonomie, les études écologiques et la recherche évolutive.

Principalement, Séquençage de l'ARNr 16S cela permet l'identification des espèces et sous-espèces de micro-organismes inconnus, facilitant ainsi la taxonomie microbienne. L'homologie des séquences du gène 16S rRNA a fourni l'une des méthodes les plus rapides pour déterminer le statut taxonomique des espèces. Actuellement, les bases de données GenBank et EzBiocloud contiennent une vaste quantité de séquences du gène 16S rRNA provenant de souches types de divers procaryotes. Ces séquences peuvent classer rapidement et avec précision des bactéries inconnues grâce à des alignements BLAST en ligne. De plus, Séquençage de l'ARNr 16S est largement utilisé pour caractériser les microorganismes provenant de plusieurs environnements tels que les rivières, les océans et le sol.

De plus, Séquençage de l'ARNr 16S trouve une utilisation extensive dans la discernement et la comparaison des relations phylogénétiques entre différentes espèces et souches, aidant à la construction d'un arbre phylogénétique de la vie. Cela peut informer sur la distance évolutive et les ancêtres communs entre les espèces, enquêter sur le processus de formation et de différenciation des espèces, et explorer la divergence génétique et la structure des populations entre les espèces.

Figure 1. Composition de la communauté microbienne regroupée par pH et température. (Hou et al., 2013)

De plus, Séquençage de l'ARNr 16S fournit des informations taxonomiques microbiennes à haut débit, permettant aux écologistes de comprendre la diversité et la composition des micro-organismes dans différents environnements. En séquençant l'ARNr 16S à partir d'échantillons environnementaux divers, tels que le sol, les plans d'eau, l'air et des échantillons intrabiologiques, nous pouvons comparer la structure et les fonctions des communautés microbiennes au sein de divers écosystèmes et identifier les rôles et les niches écologiques de communautés microbiennes spécifiques. De plus, l'analyse des séquences d'ARNr 16S des communautés microbiennes peut élucider des processus écologiques clés au sein d'un écosystème, y compris les cycles du carbone et de l'azote, aidant ainsi les scientifiques dans leurs recherches ultérieures.

À travers l'examen comparatif des communautés microbiennes dans divers environnements, nous pouvons comprendre comment les micro-organismes s'adaptent à leur environnement et les relations symbiotiques qui existent entre eux. Cela aide à étudier l'interaction évolutive entre les hôtes et les micro-organismes symbiotiques associés, comme la coévolution du microbiote intestinal et des hôtes. En surveillant les changements dans les communautés microbiennes au sein d'un écosystème, nous pouvons évaluer l'impact de la pollution environnementale, des invasions biologiques et d'autres facteurs perturbateurs sur la santé de l'écosystème, permettant ainsi d'évaluer sa stabilité et sa durabilité.

Domaine médical

L'application de Séquençage de l'ARNr 16S s'étend principalement sur le diagnostic et le suivi des maladies, les soins de santé personnalisés, le développement de médicaments et le contrôle et la prévention des maladies infectieuses dans le domaine médical.

Séquençage de l'ARNr 16S est utilisé pour détecter les bactéries et les archées dans des échantillons cliniques, facilitant le diagnostic des infections bactériennes, en particulier celles causées par des agents pathogènes rares ou difficiles à cultiver. En pratique clinique, en comparant les séquences d'ARNr 16S des échantillons de patients avec les séquences d'ARNr 16S bactériennes dans une base de données, les agents responsables des infections peuvent être identifiés avec précision. Qian et ses collègues, en comparant la composition du microbiome sanguin de 58 patients atteints de la maladie de Parkinson et de 57 individus en bonne santé via Séquençage de l'ARNr 16Sont découvert des associations significatives possibles entre les genres Paludibacter et Saccharofermentans et la maladie de Parkinson.

L'utilisation de Séquençage de l'ARNr 16S offre des perspectives critiques sur les communautés microbiennes des patients, permettant de prédire le métabolisme des médicaments et les effets secondaires. De plus, cette technique de séquençage peut aider à la découverte de marqueurs microbiens associés à diverses maladies, fournissant des cibles potentielles pour le développement de nouveaux médicaments ou l'évaluation de l'efficacité des médicaments. Dans une étude notable, He et ses collègues ont utilisé à la fois Séquençage de l'ARNr 16S et des analyses de métabolomique en tandem pour identifier des marqueurs biologiques associés aux lésions hépatiques induites par les médicaments. Ils ont construit un diagramme de réseau de co-linéarité des principaux métabolites microbiens. Les résultats ont impliqué des corrélations positives entre la corticostérone, le prostaglandine I1, le bioyclo prostaglandine E2 et l'acide oléanolique avec les genres Blautia et Ralstonia. Fait intéressant, des corrélations négatives ont été observées avec le genre Veillonella. Ces découvertes élargissent notre compréhension des interactions microbiome-médicament et offrent des pistes potentielles pour des avancées thérapeutiques et l'évaluation de la sécurité des médicaments.

Face aux maladies infectieuses, l'analyse des séquences d'ARNr 16S des microorganismes pathogènes pourrait offrir des informations précieuses sur les voies de transmission des maladies et leur variation, aidant ainsi à la mise en œuvre rapide de stratégies de contrôle des maladies infectieuses. Une étude menée par Morel et ses collègues a intégré l'évaluation de 32 948 échantillons cliniques provenant de 18 056 patients. En utilisant des technologies telles que Séquençage de l'ARNr 16Sils ont identifié 1 192 cas d'infection, fournissant une base de données solide pour de futures mesures d'intervention.

Agriculture

L'application de Séquençage de l'ARNr 16S dans l'agriculture couvre plusieurs aspects, y compris la santé des sols, la croissance des cultures et le contrôle des maladies.

Les évaluations de la santé des sols peuvent être profondément éclairées par le suivi des modifications des communautés microbiennes du sol, sur la base de données dérivées de Séquençage de l'ARNr 16S de ces micro-écosystèmes. Cette information sert de référence pour les interventions de gestion des sols. De plus, les attributs fonctionnels des microorganismes résidant dans le sol peuvent être élucidés grâce aux séquences de l'ARNr 16S. Cette compréhension des types et des fonctionnalités des microorganismes bénéfiques peut optimiser les pratiques de gestion des sols, améliorant ainsi la fertilité du sol et le rendement des cultures.

La technique peut également être utilisée pour isoler des souches microbiennes présentant des traits positifs. L'application de ces probiotiques dans les traitements de sol ou de semences peut stimuler la croissance des cultures, renforcer la résistance aux maladies et augmenter les rendements. À l'inverse, les microbes pathogènes peuvent être identifiés, permettant de faire des prévisions et de mettre en œuvre des mesures préventives pour les cultures, offrant ainsi des stratégies de gestion efficaces pour le contrôle des maladies.

De plus, Séquençage de l'ARNr 16S peut être utilisé pour surveiller la réponse des communautés microbiennes du sol à la pollution environnementale, fournissant ainsi des preuves scientifiques pour la protection de l'environnement et les stratégies de réhabilitation des sols.

Industriel

Dans le domaine de la microbiologie industrielle, Séquençage de l'ARNr 16S peut servir d'outil essentiel pour des tâches telles que le dépistage de souches microbiennes, l'optimisation des processus de fermentation et le contrôle de la qualité des produits.

Le séquençage de l'ARNr 16S permet la découverte de nouvelles souches microbiennes avec des caractéristiques métaboliques ou des bioactivités spécifiques, facilitant ainsi le développement de nouveaux produits ou l'amélioration de ceux déjà existants dans la production industrielle. De plus, la prédiction des voies métaboliques et des capacités de biosynthèse des souches microbiennes peut révéler un potentiel pour la production de nouvelles substances bioactives.

Lors des processus de fermentation, en utilisant Séquençage de l'ARNr 16S La surveillance des changements dynamiques dans les communautés microbiennes peut fournir des informations essentielles. Évaluer les complexités concurrentielles et les mécanismes opérationnels de diverses souches microbiennes pendant la fermentation peut aider à augmenter le rendement et la qualité des produits. D'autres avantages peuvent être tirés de l'identification et de la manipulation génétique de souches microbiennes ayant de meilleures performances de fermentation, renforçant ainsi à la fois l'efficacité et le rendement.

Dans le contexte du traitement biologique des déchets industriels – englobant les eaux usées, les gaz d'échappement et les déchets solides – Séquençage de l'ARNr 16S peut permettre le dépistage de souches microbiennes capables de dégradation des déchets, facilitant ainsi le recyclage des ressources et la protection de l'environnement. De plus, la découverte de souches microbiennes ayant le potentiel de production de bioénergie—à savoir la génération de biohydrogène, de biométhane et de bioéthanol—peut stimuler la croissance industrielle.

Sciences judiciaires

Dans le domaine de la science judiciaire, Séquençage de l'ARNr 16S joue un rôle clé et est largement appliqué dans des domaines tels que la vérification d'identité, les enquêtes criminelles et la pathologie judiciaire.

Séquençage de l'ARNr 16S permet l'identification et l'analyse des microbes présents dans des échantillons de tissus humains (comme le sang, les tissus ou les os), facilitant ainsi la confirmation ou la validation de l'identité. En mettant en œuvre Séquençage de l'ARNr 16S Sur des échantillons microbiens collectés sur des scènes de crime, on peut analyser la communauté microbienne présente dans ces spécimens. Par la suite, la comparaison avec les communautés microbiennes inhérentes aux objets personnels des suspects, comme les téléphones portables ou les vêtements, peut aider à identifier les individus suspectés. Dans les cas où des échantillons d'ADN humain suffisants ne sont pas disponibles, le séquençage de l'ARNr 16S des communautés microbiennes peut fournir des informations génétiques sur les victimes ou les criminels présumés.

Figure 2. Composition de la communauté bactérienne de la salive et de la muqueuse buccale aux niveaux des phylums et des genres. (Wang et al., 2022)

Dans la pathologie judiciaire, pour les corps ou restes non identifiables, Séquençage de l'ARNr 16S aide à déchiffrer l'ADN microbien présent dans les tissus corporels, complétant ainsi l'identification et la validation des cadavres. Le Séquençage de l'ARNr 16S des communautés microbiennes chez les membres de la famille ou les individus dont l'identité est confirmée peut permettre l'évaluation de la parenté, contribuant ainsi à des informations supplémentaires pour l'identification de la parenté en médecine légale. De plus, le Séquençage de l'ARNr 16S des échantillons de tissus de cadavres peuvent éclairer les variations des communautés microbiennes avant et après la mort, aidant ainsi à déterminer le moment et la cause du décès.

Séquençage de l'ARNr 16S peut également faciliter la détection et l'identification de microbes pathogènes dans les tissus corporels qui pourraient potentiellement être liés à la cause du décès, tels que les infections bactériennes.

Références :

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