Aplicações da Metagenómica em Biotecnologia e Cuidados de Saúde

Os micróbios estão presentes quase em todo o lado. Eles desempenham um papel vital no ciclo do carbono, libertam compostos importantes e podem estar associados a doenças infecciosas. Metagenómica é a investigação genómica independente de cultura de comunidades microbianas. A metagenómica apresenta uma ferramenta poderosa para estudar procariotos e vírus no ambiente através da análise do seu ADN obtido diretamente de amostras ambientais. Esta tecnologia considera o ADN dos micróbios numa população como um todo. Não só pode identificar as espécies microbianas presentes, mas também fornecer informações sobre os papéis funcionais e as atividades metabólicas dos microrganismos. A combinação deste método com a atividade baseada em função é uma técnica poderosa para a descoberta de novos genes funcionais de micróbios não cultivados.

Figura 3. Estratégias metagenómicas funcionais para a identificação de novos biocatalisadores e bioativos a partir de amostras ambientais (Coughlan) et al.. 2015).

Aplicações biotecnológicas

Atualmente, existe uma pressão política global para promover a biotecnologia branca como uma característica chave da sociedade industrializada moderna. A metagenómica tem o potencial de impactar substancialmente a produção industrial.

Figura 1. Enzimas industriais – do metagenoma às aplicações e processos (Lorenz 2005).

Compostos bioativosCompostos bioativos únicos foram identificados através de estudos de metagenómica, incluindo terraginas, violaceína e indirubina. Fármacos originados de microrganismos marinhos, como a citarabina (anti-cancerígena), cefalosporinas (anti-microbianas) e vidarabina (anti-vírus), foram estabelecidos no mercado farmacêutico.

AntibióticosAntibióticos e enzimas novos estão entre as primeiras descobertas da metagenómica. A descoberta da estreptomicina, turbomicina e outros antibióticos resultou de estudos básicos do microbioma do solo. A metagenómica funcional serve para encontrar antibióticos novos ou novos genes de resistência a antibióticos, enquanto a metagenómica descritiva serve para analisar alterações na composição do microbioma e para monitorizar a presença e abundância de genes de resistência a antibióticos conhecidos em diferentes ambientes.

EnzimasNovas informações genéticas sobre enzimas industriais, como lipases, proteases, liases, amilases e nitrilases, foram produzidas através de abordagens de metagenómica. As enzimas têm uma ampla gama de aplicações, incluindo a produção de fármacos altamente ativos e ingredientes ativos (como detergentes para roupa de alto desempenho). A versatilidade das enzimas industriais permite a sua utilização em processos para degradar polímeros naturais como celulose, proteínas e amido, bem como para a síntese de produtos químicos assimétricos.

Figura 2. Análise de pegada multi-parâmetro. Esta figura descreve o conceito ideal de biocatalisador (Lorenz 2005).

Cuidados de saúde

Doenças infecciosasA metagenómica foi agora aplicada para identificar um patógeno desconhecido em surtos de doença. Metagenómica de shotgun também pode ser utilizado na descoberta e deteção de patógenos em amostras clínicas. Para vírus de RNA, o RNA isolado de uma amostra geralmente precisa ser convertido em cDNA primeiro. Além dos patógenos bacterianos e vírus, a metagenómica tem até agora sido pouco utilizada na deteção de infeções parasitárias. Por exemplo, sequências de Plasmodium e Toxoplasma foram encontradas no metagenoma de múmias egípcias (Khairat et al.As aplicações potenciais da metagenómica na parasitologia incluem a recuperação de dados genómico-epidemiológicos e a determinação da influência dos parasitas na ecologia microbiana no intestino.

Saúde intestinal. Sequenciação de amplicões 16S/18S/ITS é uma ferramenta poderosa e acessível para a análise da microbiota clínica. Pode ser utilizada para determinar as espécies microbianas intestinais e a sua abundância, permitindo monitorizar a saúde e o bem-estar humano. A metagenómica ilumina o desenvolvimento de probióticos. O monitoramento das comunidades bacterianas associadas aos humanos permite estabelecer formas de as modular, de modo a otimizar a saúde humana. A metagenómica personalizada está no mercado e está disponível para compra. É sempre melhor prevenir do que tratar. E a metagenómica pessoal, em conjunto com a genómica pessoal e a epigenómica, pode ser a base dos cuidados de saúde do amanhã.

Conservação da vida selvagem

Ecologia microbiana e sequenciação de próxima geração oferecem perspetivas e ferramentas valiosas para investigar e monitorizar a saúde da vida selvagem. As comunidades microbianas que habitam animais e plantas afetam profundamente a saúde, nutrição, fisiologia e sistemas imunitários do hospedeiro. As tecnologias de sequenciação de ADN permitem-nos identificar microbiomas entre e dentro dos hospedeiros. As comunidades microbianas são sensíveis a alterações no ambiente externo, e a diversidade microbiana correlaciona-se com a qualidade do habitat. Portanto, incorporar a variação microbiana do hospedeiro e biogeográfica tem um grande potencial para avaliações de corredores florestais e esforços de reintrodução. Além disso, os patógenos microbianos representam uma grande ameaça à saúde da vida selvagem.

Referências:

1. Coughlan L M, Cotter P D, Hill C, et al. Aplicações biotecnológicas da metagenómica funcional nas indústrias alimentar e farmacêutica. Frontiers in microbiology, 2015, 6: 672.
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3. Khairat, R., et al.Primeiras percepções sobre o metagenoma das múmias egípcias utilizando sequenciação de nova geração. Journal of Applied Genetics, 2013 (54): 309–325.
4. Lorenz P, Eck J. Metagenómica e aplicações industriais. Nature Reviews Microbiology, 2005, 3(6): 510.
5. Pallen M J. Metagenómica diagnóstica: potenciais aplicações a infeções bacterianas, virais e parasitárias. Parasitologia, 2014, 141(14): 1856-1862.
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