Aplicações da Sequenciação de 16S rRNA

O gene 16S rRNA, uma sequência de DNA que codifica rRNA presente no genoma de todas as bactérias, é um marcador molecular fundamental na ecologia microbiana devido à sua existência universal e características evolutivas únicas.

Dado que o gene 16S rRNA permanece conservado dentro das bactérias e possui regiões hipervariáveis que podem oferecer assinaturas de sequência específicas de espécies, torna-se uma ferramenta amplamente utilizada para a identificação bacteriana e estudos filogenéticos. As suas características de processamento rápido, custo-efetivo e alta precisão tornam-no particularmente atrativo. A utilização do Sequenciação de rRNA 16S a técnica tem permeado amplamente a pesquisa básica e campos como a microbiologia médica, a ciência forense, a microbiologia agrícola e industrial.

Pesquisa Fundamental

Sequenciação do rRNA 16S desempenha um papel vital em investigações gerais, incluindo taxonomia, estudos ecológicos e pesquisa evolutiva.

Principalmente, Sequenciação de rRNA 16S permite a identificação de espécies e subespécies de microrganismos desconhecidos, facilitando a taxonomia microbiana. A homologia das sequências do gene 16S rRNA forneceu um dos métodos mais rápidos para determinar o estado taxonómico das espécies. Presentemente, as bases de dados GenBank e EzBiocloud contêm uma vasta quantidade de sequências do gene 16S rRNA provenientes de estirpes tipo de vários procariotos. Estas sequências podem classificar rapidamente e com precisão bactérias desconhecidas através de alinhamentos BLAST online. Além disso, Sequenciação de rRNA 16S é amplamente utilizado na caracterização de microrganismos de múltiplos ambientes, como rios, oceanos e solo.

Além disso, Sequenciação de rRNA 16S encontra uma ampla utilização na discriminação e comparação de relações filogenéticas entre diferentes espécies e estirpes, ajudando na construção de uma árvore filogenética da vida. Pode informar sobre a distância evolutiva e os ancestrais comuns entre espécies, investigar o processo de formação e diferenciação de espécies, e explorar a divergência genética e a estrutura populacional entre espécies.

Figura 1. Composição da comunidade microbiana agrupada por pH e temperatura. (Hou et al., 2013)

Além disso, Sequenciação de rRNA 16S fornece informações taxonómicas microbianas de alto rendimento, capacitando os ecologistas a compreender a diversidade e a composição de microrganismos em diferentes ambientes. Ao sequenciar o 16S rRNA de diversas amostras ambientais, como solo, corpos de água, ar e amostras intrabiológicas, podemos comparar a estrutura e as funções das comunidades microbianas dentro de diversos ecossistemas e identificar os papéis e nichos ecológicos de comunidades microbianas específicas. Além disso, a análise das sequências de 16S rRNA das comunidades microbianas pode elucidar processos ecológicos chave dentro de um ecossistema, incluindo os ciclos de carbono e nitrogénio, ajudando assim os cientistas em investigações adicionais.

Através da análise comparativa de comunidades microbianas em vários ambientes, podemos compreender como os microrganismos se adaptam ao seu entorno e as relações simbióticas entre eles. Isso ajuda a investigar a interação evolutiva entre os hospedeiros e os microrganismos simbióticos associados, como a co-evolução da microbiota intestinal e dos hospedeiros. Ao monitorizar as alterações nas comunidades microbianas dentro de um ecossistema, podemos avaliar o impacto da poluição ambiental, das invasões biológicas e de outros fatores disruptivos na saúde do ecossistema, avaliando assim a sua estabilidade e sustentabilidade.

Campo Médico

A aplicação de Sequenciação de rRNA 16S abrange principalmente o diagnóstico e monitorização de doenças, cuidados de saúde personalizados, desenvolvimento de medicamentos e o controlo e prevenção de doenças infeciosas no âmbito da medicina.

Sequenciação de rRNA 16S é utilizado para detectar bactérias e arqueias em amostras clínicas, facilitando o diagnóstico de infeções bacterianas, especialmente aquelas causadas por patógenos raros ou difíceis de cultivar. Na prática clínica, ao comparar as sequências de 16S rRNA de amostras de pacientes com sequências de 16S rRNA bacterianas numa base de dados, os agentes causadores de infeções podem ser identificados com precisão. Qian e colegas, ao comparar a composição do microbioma sanguíneo de 58 pacientes com doença de Parkinson e 57 indivíduos saudáveis através de Sequenciação de rRNA 16S, descobriram possíveis associações significativas entre os géneros Paludibacter e Saccharofermentans e doença de Parkinson.

O uso de Sequenciação de rRNA 16S oferece insights críticos sobre as comunidades microbianas dos pacientes, permitindo a previsão do metabolismo de fármacos e efeitos secundários. Além disso, esta técnica de sequenciação pode ajudar na descoberta de marcadores microbianos associados a várias doenças, fornecendo potenciais alvos para o desenvolvimento de novos fármacos ou na avaliação da eficácia dos medicamentos. Numa estudo notável, He e colegas utilizaram tanto Sequenciação de rRNA 16S e análises de metabolómica em conjunto para identificar marcadores biológicos associados a lesões hepáticas induzidas por fármacos. Eles construíram um diagrama de rede de co-linearidade de metabolitos microbianos-chave. Os resultados implicaram correlações positivas entre corticosterona, prostaglandina I1, Bioyclo prostaglandina E2 e ácido oleanólico com os géneros Blautia e Ralstonia. Curiosamente, foram observadas correlações negativas com o género Veillonella. Estas descobertas expandem a nossa compreensão das interações entre o microbioma e os fármacos e fornecem potenciais vias para avanços terapêuticos e avaliação da segurança dos medicamentos.

Perante doenças infeciosas, a análise das sequências de rRNA 16S de microrganismos patogénicos pode oferecer informações valiosas sobre as rotas de transmissão da doença e variação, ajudando assim na implementação oportuna de estratégias para o controlo de doenças infeciosas. Um estudo realizado por Morel e colegas incorporou a avaliação de 32.948 amostras clínicas de 18.056 pacientes. Ao utilizar tecnologias como Sequenciação de rRNA 16Sidentificaram 1.192 casos de infeção, fornecendo uma base de dados robusta para futuras medidas de intervenção.

Agricultura

A aplicação de Sequenciação de rRNA 16S na agricultura abrange várias facetas, incluindo a saúde do solo, o crescimento das culturas e o controlo de doenças.

As avaliações da saúde do solo podem ser profundamente informadas pelo monitoramento de alterações nas comunidades microbianas do solo, com base em dados derivados de Sequenciação de rRNA 16S destes microecossistemas. Esta informação serve como referência para intervenções na gestão do solo. Além disso, os atributos funcionais dos microrganismos que habitam o solo podem ser elucidado através de sequências de 16S rRNA. Este conhecimento sobre os tipos e funcionalidades dos microrganismos benéficos pode otimizar as práticas de gestão do solo, melhorando assim a fertilidade do solo e o rendimento das culturas.

A técnica também pode ser utilizada para isolar estirpes microbianas com características positivas. A aplicação destes probióticos em tratamentos de solo ou sementes pode estimular o crescimento das culturas, fortalecer a resistência a doenças e aumentar os rendimentos. Por outro lado, os microrganismos patogénicos podem ser identificados, permitindo fazer previsões e implementar medidas preventivas para as culturas, oferecendo assim estratégias de gestão eficazes para o controlo de doenças.

Além disso, Sequenciação de rRNA 16S pode ser utilizado para monitorizar a resposta das comunidades microbianas do solo à poluição ambiental, fornecendo assim evidências científicas para a proteção ambiental e estratégias de reabilitação do solo.

Industrial

No domínio da microbiologia industrial, Sequenciação de rRNA 16S pode servir como uma ferramenta fundamental para tarefas como triagem de estirpes microbianas, otimização de processos de fermentação e controlo de qualidade de produtos.

O sequenciamento do rRNA 16S permite a descoberta de novas estirpes microbianas com características metabólicas ou bioatividades específicas, facilitando assim o desenvolvimento de novos produtos ou a melhoria dos existentes na produção industrial. Além disso, prever as vias metabólicas e as capacidades de biossíntese das estirpes microbianas pode revelar potencial para a produção de novas substâncias bioativas.

Durante os processos de fermentação, utilizando Sequenciação de rRNA 16S O monitoramento das mudanças dinâmicas nas comunidades microbianas pode fornecer insights essenciais. Avaliar as complexidades competitivas e os mecanismos operacionais de várias estirpes microbianas durante a fermentação pode ajudar a aumentar o rendimento e a qualidade do produto. Benefícios adicionais podem ser obtidos através da identificação e manipulação genética de estirpes microbianas com desempenho superior na fermentação, fortalecendo assim tanto a eficiência quanto o rendimento.

No contexto do tratamento biológico de resíduos industriais – abrangendo águas residuais, gases de escape e resíduos sólidos – Sequenciação de rRNA 16S pode permitir a triagem de estirpes microbianas capazes de degradação de resíduos, facilitando assim a reciclagem de recursos e a proteção ambiental. Além disso, a descoberta de estirpes microbianas com potencial para a produção de bioenergia—nomeadamente a geração de biohidrogénio, biometano e bioetanol—pode impulsionar o crescimento industrial.

Ciência Forense

No domínio da ciência forense, Sequenciação de rRNA 16S desempenha um papel fundamental e é amplamente aplicado em áreas como verificação de identidade, investigações criminais e patologia forense.

Sequenciação de rRNA 16S permite a identificação e análise de micróbios encontrados em amostras de tecido humano (como sangue, tecido ou osso), facilitando assim a confirmação ou validação da identidade. Ao implementar Sequenciação de rRNA 16S em amostras microbianas recolhidas de cenas de crime, pode-se analisar a comunidade microbiana presente nesses espécimes. Subsequentemente, a comparação com comunidades microbianas inerentes a objetos pessoais dos suspeitos, como telemóveis ou vestuário, pode ajudar a identificar indivíduos suspeitos. Em circunstâncias onde amostras de DNA humano suficientes não estão disponíveis, o sequenciamento do 16S rRNA de comunidades microbianas pode obter informações genéticas de vítimas ou criminosos suspeitos.

Figura 2. Composição da comunidade bacteriana da saliva e da mucosa bucal nos níveis de filo e género. (Wang et al., 2022)

Na patologia forense, para cadáveres ou restos não identificáveis, Sequenciação de rRNA 16S ajuda na decifração do DNA microbiano presente nos tecidos do corpo, complementando assim a identificação e validação de cadáveres. O Sequenciação de rRNA 16S de comunidades microbianas em membros da família ou indivíduos com identidade confirmada pode permitir a avaliação de parentesco, contribuindo assim com informações adicionais para a identificação forense de parentesco. Além disso, o Sequenciação de rRNA 16S as amostras de tecido do cadáver podem lançar luz sobre as variações nas comunidades microbianas antes e depois da morte, ajudando assim a determinar o tempo e a causa da morte.

Sequenciação de rRNA 16S pode também facilitar a deteção e identificação de micróbios patogénicos nos tecidos do corpo que poderiam estar potencialmente relacionados com a causa da morte, como infeções bacterianas.

Referências:

1. Hou W, Wang S, Dong H, et al. Um censo abrangente da diversidade microbiana em fontes termais de Tengchong, Província de Yunnan, China, utilizando pirosequenciação do gene 16S rRNA. PloS One, 2013, 8(1): e53350.
2. Qian Y, Yang X, Xu S, et al. Detecção do gene 16S rRNA microbiano no sangue de pacientes com doença de Parkinson. Fronteiras na neurociência do envelhecimento, 2018, 10: 156.
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4. He K, Liu M, Wang Q, et al. Análise combinada de sequenciação de 16S rDNA e metabolómica para encontrar biomarcadores de lesão hepática induzida por fármacos. Relatórios Científicos, 2023, 13(1): 15138.
5. Morel A S, Dubourg G, Prudent E, et al. Complementaridade entre PCR específica em tempo real direcionada e PCR convencional de amplo espectro 16S rDNA no diagnóstico de doenças infecciosas orientado por síndromes. Revista Europeia de Microbiologia Clínica e Doenças Infecciosas, 2015, 34: 561-570.
6. Prabhavathy G, Rajasekara M, Senthilkumar B. Identificação de Bacillus subtilis produtor de protease alcalina de importância industrial através da análise da sequência de 16s rRNA e suas aplicações. Int. J. Pesq. Pharma. Biomed. Sci., 2013, 4: 332-338.
7. Hu N, Lei M, Zhao X, et al. Análise da microbiota no Yucha de Hainan durante a fermentação através de sequenciação de alto rendimento do gene 16S rRNA. Revista de Processamento e Conservação de Alimentos, 2020, 44(7): e14523.
8. Wang S, Song F, Gu H, et al. Avaliação comparativa da microbiota salivar e da mucosa bucal através de sequenciação de 16S rRNA para investigações forenses. Fronteiras em Microbiologia, 2022, 13: 777882.
9. Speruda M, Piecuch A, Borzęcka J, et al. Vestígios microbianos e o seu papel na ciência forense. Revista de Microbiologia Aplicada, 2022, 132(4): 2547-2557.