Applications de la métagénomique en biotechnologie et en santé.

Les microbes sont présents presque partout. Ils jouent un rôle essentiel dans le cycle du carbone, libèrent des composés importants et peuvent être associés à des maladies infectieuses. Métagénomique Il s'agit de la recherche génomique indépendante de la culture des communautés microbiennes. La métagénomique constitue un outil puissant pour étudier les procaryotes et les virus dans l'environnement grâce à l'analyse de leur ADN obtenu directement à partir d'échantillons environnementaux. Cette technologie considère l'ADN des microbes dans une population dans son ensemble. Elle peut non seulement identifier les espèces microbiennes présentes, mais aussi fournir des informations sur les rôles fonctionnels et les activités métaboliques des micro-organismes. L'association de cette méthode avec une activité basée sur la fonction est une technique puissante pour la découverte de nouveaux gènes fonctionnels provenant de microbes non cultivés.

Figure 3. Stratégies métagénomiques fonctionnelles pour l'identification de nouveaux biocatalyseurs et bioactifs à partir d'échantillons environnementaux (Coughlan) et al.. 2015).

Applications biotechnologiques

Actuellement, il existe un mouvement politique mondial visant à promouvoir la biotechnologie blanche comme un élément clé de la société industrialisée moderne. La métagénomique a le potentiel d'impacter de manière significative la production industrielle.

Figure 1. Enzymes industriels – du métagénome aux applications et processus (Lorenz 2005).

Composés bioactifsDes composés bioactifs uniques ont été identifiés grâce à des études de métagénomique, y compris les terragines, la violacine et l'indirubine. Des médicaments issus de microorganismes marins, tels que la cytarabine (anti-cancer), les céphalosporines (anti-microbien) et la vidarabine (anti-virus), ont été établis sur le marché pharmaceutique.

AntibiotiquesDe nouveaux antibiotiques et enzymes figurent parmi les premières découvertes issues de la métagénomique. La découverte de la streptomycine, de la turbomycine et d'autres antibiotiques provient d'études fondamentales sur le microbiome du sol. La métagénomique fonctionnelle sert à trouver de nouveaux antibiotiques ou de nouveaux gènes de résistance aux antibiotiques, tandis que la métagénomique descriptive permet d'analyser les changements dans la composition du microbiome et de suivre la présence et l'abondance de gènes de résistance aux antibiotiques connus dans différents environnements.

EnzymesDe nouvelles informations génétiques sur les enzymes industrielles, telles que les lipases, les protéases, les lyases, les amylases et les nitrilases, ont été produites grâce à des approches de métagénomique. Les enzymes ont un large éventail d'applications, y compris la production de médicaments hautement actifs et d'ingrédients actifs (tels que les détergents à lessive haute performance). La polyvalence des enzymes industrielles permet leur utilisation dans les processus de dégradation des polymères naturels tels que la cellulose, les protéines et l'amidon, ainsi que pour la synthèse de produits chimiques asymétriques.

Figure 2. Analyse d'empreinte multi-paramètres. Cette figure décrit le concept d'idéal biocatalyseur (Lorenz 2005).

Soins de santé

Maladies infectieusesLa métagénomique a maintenant été appliquée pour identifier un pathogène inconnu lors d'épidémies de maladies. Métagénomique par shotgun peut également être utilisé dans la découverte et la détection de pathogènes dans des échantillons cliniques. Pour les virus à ARN, l'ARN isolé d'un échantillon doit généralement d'abord être converti en ADNc. En plus des pathogènes bactériens et des virus, la métagénomique a jusqu'à présent été peu utilisée dans la détection des infections parasitaires. Par exemple, des séquences de Plasmodium et de Toxoplasma ont été trouvées dans le métagénome des momies égyptiennes (Khairat et al.. 2013). Les applications potentielles de la métagénomique en parasitologie incluent la récupération de données génomiques-épidémiologiques et la détermination de l'influence des parasites sur l'écologie microbienne dans l'intestin.

Santé intestinale. Séquençage d'amplicons 16S/18S/ITS est un outil puissant et abordable pour l'analyse du microbiote clinique. Il peut être utilisé pour déterminer les espèces microbiennes intestinales et leur abondance, et permet de surveiller la santé et le bien-être humain. La métagénomique éclaire le développement des probiotiques. La surveillance des communautés bactériennes associées à l'homme permet d'établir des moyens de les moduler, afin d'optimiser la santé humaine. La métagénomique personnalisée est sur le marché et est disponible à l'achat. Il est toujours préférable de prévenir que de traiter. Et la métagénomique personnelle, en conjonction avec la génomique personnelle et l'épigénomique, pourrait être la base des soins de santé de demain.

Conservation de la faune

écologie microbienne et séquençage de nouvelle génération offrir des perspectives et des outils précieux pour enquêter et surveiller la santé de la faune. Les communautés microbiennes habitant les animaux et les plantes affectent profondément la santé, la nutrition, la physiologie et les systèmes immunitaires des hôtes. Les technologies de séquençage de l'ADN nous permettent d'identifier les microbiomes parmi et au sein des hôtes. Les communautés microbiennes sont sensibles aux changements de l'environnement externe, et la diversité microbienne est corrélée à la qualité de l'habitat. Par conséquent, l'incorporation de la variation microbienne des hôtes et biogéographique présente un grand potentiel pour les évaluations des corridors forestiers et les efforts de réintroduction. De plus, les pathogènes microbiens représentent une grande menace pour la santé de la faune.

Références :

1. Coughlan L M, Cotter P D, Hill C, et al. Applications biotechnologiques de la métagénomique fonctionnelle dans les industries alimentaire et pharmaceutique. Frontiers in microbiology, 2015, 6 : 672.
2. Ehrlich S D. Métagénomique du microbiote intestinal : applications potentielles. Gastroentérologie clinique et biologique, 2010, 34 : S23-S28.
3. Khairat, R. et al.Premières perspectives sur le métagénome des momies égyptiennes utilisant le séquençage de nouvelle génération. Journal of Applied Genetics, 2013 (54) : 309–325.
4. Lorenz P, Eck J. Métagénomique et applications industrielles. Nature Reviews Microbiology, 2005, 3(6) : 510.
5. Pallen M J. Métagénomique diagnostique : applications potentielles aux infections bactériennes, virales et parasitaires. Parasitologie, 2014, 141(14) : 1856-1862.
6. Schloss P D, Handelsman J. Perspectives biotechnologiques issues de la métagénomique. Opinion actuelle en biotechnologie, 2003, 14(3) : 303-310.
7. Stumpf R M, Gomez A, Amato K R, et al. Microbiomes, métagénomique et conservation des primates : Nouvelles stratégies, outils et applications. Conservation biologique, 2016, 199 : 56-66.
8. Wong D W S. Applications de la métagénomique pour les bioproduits industriels[J]. Métagénomique : théorie, méthodes et applications, 2010 : 141-158.