El código de barras de ADN microbiano es el uso de metabarcoding de ADN para caracterizar una mezcla de microorganismos . La codificación de metabarras de ADN es un método de codificación de barras de ADN que utiliza marcadores genéticos universales para identificar el ADN de una mezcla de organismos. [1]
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Historia
El uso de metabarcoding para evaluar comunidades microbianas tiene una larga historia. En 1972, Carl Woese , Mitchell Sogin y Stephen Sogin intentaron por primera vez detectar varias familias dentro de las bacterias utilizando el gen 5S rRNA . [2] Sólo unos años más tarde, Woese y sus colegas propusieron nuevamente un nuevo árbol de la vida con tres dominios , quienes fueron los primeros en utilizar la subunidad pequeña del gen del ARN ribosómico (ARNr SSU) para distinguir entre bacterias, arqueas y eucariotas . [3] A partir de este enfoque, el gen de ARNr de SSU se abrió camino para convertirse en el marcador genético más utilizado tanto para procariotas (ARNr 16S) como para eucariotas ( ARNr 18S ). El tedioso proceso de clonar esos fragmentos de ADN para la secuenciación se vio reforzado por la mejora constante de las tecnologías de secuenciación. Con el desarrollo de HTS (High-Throughput-Sequencing) a principios de la década de 2000 y la capacidad de manejar estos datos masivos utilizando bioinformática moderna y algoritmos de clúster, investigar la vida microbiana se volvió mucho más fácil.
Marcadores genéticos
La diversidad genética varía de una especie a otra. Por lo tanto, es posible identificar especies distintas mediante la recuperación de una secuencia corta de ADN de una parte estándar del genoma. Esta secuencia corta se define como secuencia de código de barras. Los requisitos para que una parte específica del genoma sirva como código de barras debe ser una gran variación entre dos especies diferentes , pero no muchas diferencias en el gen entre dos individuos de la misma especie para facilitar la diferenciación de especies individuales. [4] [5] Tanto para las bacterias como para las arqueas se utiliza el gen rRNA / rDNA 16S. Es un gen de mantenimiento común en todos los organismos procariotas y, por lo tanto, se utiliza como código de barras estándar para evaluar la diversidad procariota. Para los protistas, se utiliza el gen correspondiente de rRNA / rDNA 18S. [6] Para distinguir diferentes especies de hongos, se utiliza la región ITS ( Espaciador transcrito interno ) del cistrón ribosómico . [7]
Ventajas
La diversidad existente del mundo microbiano aún no se ha desvelado por completo, aunque sabemos que está compuesto principalmente por bacterias, hongos y eucariotas unicelulares. [4] La identificación taxonómica de eucariotas microbianos requiere una experiencia sumamente hábil y, a menudo, es difícil debido a los pequeños tamaños de los organismos, los individuos fragmentados, la diversidad oculta y las especies crípticas . [8] [9] Además, los procariotas simplemente no pueden asignarse taxonómicamente utilizando métodos tradicionales como la microscopía , porque son demasiado pequeños y morfológicamente indistinguibles. Por lo tanto, mediante el uso de metabarcoding de ADN, es posible identificar organismos sin experiencia taxonómica haciendo coincidir fragmentos de genes cortos derivados de secuencias de alto rendimiento (HTS) con una base de datos de secuencias de referencia, por ejemplo, NCBI . [10] Estas cualidades mencionadas hacen que el código de barras de ADN sea un método rentable, confiable y que requiere menos tiempo, en comparación con los tradicionales, para satisfacer la creciente necesidad de evaluaciones ambientales a gran escala.
Aplicaciones
Muchos estudios siguieron el primer uso de Woese et al., Y ahora cubren una variedad de aplicaciones. No solo en la investigación biológica o ecológica se utiliza metabarcoding . También en medicina y biología humana se utilizan códigos de barras bacterianos, por ejemplo, para investigar el microbioma y la colonización bacteriana del intestino humano en gemelos normales y obesos [11] o estudios comparativos de la composición de bacterias intestinales de recién nacidos, niños y adultos. [12] Además, los códigos de barras desempeñan un papel importante en el biomonitoreo de, por ejemplo, ríos y arroyos [13] y la restauración de pastizales. [14] La parasitología de la conservación, la parasitología ambiental y la paleoparasitología también se basan en los códigos de barras como una herramienta útil en la investigación y el manejo de enfermedades. [15]
Cianobacterias
Las cianobacterias son un grupo de procariotas fotosintéticos . Al igual que en otros procariotas, la taxonomía de las cianobacterias que utilizan secuencias de ADN se basa principalmente en la similitud dentro del gen ribosómico 16S . [16] Por lo tanto, el código de barras más común utilizado para la identificación de cianobacterias es el marcador de rDNA 16S . Si bien es difícil definir especies dentro de organismos procariotas, el marcador 16S se puede utilizar para determinar unidades taxonómicas operativas individuales (OTU). En algunos casos, estas OTU también pueden estar vinculadas a especies definidas tradicionalmente y, por lo tanto, pueden considerarse una representación confiable de las relaciones evolutivas . [17]
Sin embargo, al analizar una estructura taxonómica o la biodiversidad de toda una comunidad de cianobacterias (ver metabarcoding de ADN ), es más informativo usar marcadores específicos para cianobacterias. Los cebadores bacterianos Universal 16S se han utilizado con éxito para aislar ADNr de cianobacterias de muestras ambientales , pero también recuperan muchas secuencias bacterianas. [18] [19] El uso de marcadores 16S específicos de cianobacterias [20] o fitoespecíficos se usa comúnmente para enfocarse solo en cianobacterias. [21] Se han probado algunos conjuntos de estos cebadores para determinar el código de barras o la codificación metabarra de muestras ambientales y dieron buenos resultados, eliminando la mayoría de los organismos no fotosintéticos o no cianobacterianos. [22] [21] [23] [24]
Está aumentando el número de genomas de cianobacterias secuenciados disponibles en las bases de datos. [25] Además de 16S marcador, filogenéticos estudios podrían, por tanto, incluir también secuencias más variables, tales como secuencias de proteínas genes -coding (gyrB, rpoC, rpoD, [26] rbcL, hetR, [27] psbA, [28] [29] rnpB, [30] nifH, [31] nifD [32] ), espaciador transcrito interno de genes de ARN ribosómico (16S-23S rRNA-ITS) [33] [25] o espaciador intergénico de ficocianina (PC-IGS). [33] Sin embargo, nifD y nifH solo se pueden utilizar para la identificación de cepas de cianobacterias fijadoras de nitrógeno.
El código de barras de ADN de las cianobacterias se puede aplicar en varios estudios ecológicos, evolutivos y taxonómicos. Algunos ejemplos incluyen la evaluación de la diversidad de cianobacterias y la estructura de la comunidad, [34] identificación de cianobacterias nocivas en cuerpos de agua ecológica y económicamente importantes [35] y evaluación de simbiontes de cianobacterias en invertebrados marinos . [24] Tiene el potencial de servir como parte de programas de monitoreo de rutina para la aparición de cianobacterias, así como para la detección temprana de especies potencialmente tóxicas en cuerpos de agua. Esto podría ayudarnos a detectar especies dañinas antes de que comiencen a florecer y así mejorar nuestras estrategias de gestión del agua. La identificación de especies basada en el ADN ambiental podría ser particularmente útil para las cianobacterias, ya que la identificación tradicional mediante microscopía es un desafío. Sus características morfológicas que son la base para la delimitación de especies varían en diferentes condiciones de crecimiento. [20] [36] La identificación microscópica también requiere mucho tiempo y, por lo tanto, es relativamente costosa. Los métodos moleculares pueden detectar una concentración mucho menor de células cianobacterianas en la muestra que los métodos de identificación tradicionales.
Bases de datos de referencia
La base de datos de referencia es una colección de secuencias de ADN, que se asignan a una especie o una función. Se puede utilizar para vincular secuencias obtenidas moleculares de un organismo a taxonomía preexistente. Las bases de datos generales como la plataforma NCBI incluyen todo tipo de secuencias, ya sean genomas completos o genes marcadores específicos de todos los organismos. También hay diferentes plataformas donde solo se almacenan secuencias de un grupo distinto de organismos, por ejemplo, la base de datos UNITE [37] exclusivamente para secuencias de hongos o la base de datos PR2 únicamente para secuencias ribosómicas protistas. [38] Algunas bases de datos están curadas, lo que permite una asignación taxonómica con mayor precisión que el uso de bases de datos no curadas como referencia.
Ver también
- Consorcio para el código de barras de la vida
- Código de barras de ADN de algas
- Código de barras de ADN
- Códigos de barras de ADN en la evaluación de la dieta
- Código de barras de ADN de pescado
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