متاآمیکس، رویکردی نوین برای شناخت محیط‌زیست پیرامون ما

نوع مقاله : مروری تحلیلی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان.

2 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شاهد، تهران.

3 گروه بیوتکنولوژی پزشکی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد اصفهان (خوراسگان)، ایران.

4 همدان

چکیده
شمار سلول­های میکروبی در سیاره­ی زمین از ستاره­هایی که در کهکشان­ها می­شناسیم، بسیار بیشتر است. گوناگونی میکروبی و شبکه­ی بوم­شناختی آن­ها با اینکه کارکردهای ویژه­ای در زیست­بوم­های کره­ی زمین دارند، ناشناخته مانده است. فناوری­های آمیکس مانند متاژنومیکس ابزارهایی را برای شناخت بخش بزرگی از این نادیده­ها با دقت زیادی فراهم نموده­اند که ژرفای آگاهی­هایی که نسبت به آنچه از روش­های مبتنی بر کشت میکروارگانیسم­ها به­دست می­آید، بسیار بیشتر است. یک نمونه در مورد گوناگونی ومپایرلیدس­ها است که از آغازیان و یوکاریوت­های میکروسکوپی هستند. روش­های متاآمیکس آشکار کرده­اند که گوناگونی درون این گروه از میکروارگانیسم­ها با گوناگونی همه­ی سلسله­ی قارچ­ها برابری می­کند. آن­ها در هر گوشه­ای از طبیعت، از اقیانوس­ها گرفته تا خاک­ها یافت می­شوند و تنها یکی از هفت گروه آغازیان هستند. در این مقاله افزون بر آشنایی با فناوری­های آمیکس به پروژه­های کلان در این زمینه نیز پرداخته شده است تا دستاوردهای آن­ها برای شناخت میکروارگانیسم­ها و کارکرد آن­ها ارائه گردد. در متاژنومیکس توالی­یابی مستقیم و شناسایی ژن­ها و ژنوم­های موجود در زیست­بوم­های پیچیده­ی میکروبی انجام می­گیرد. ویرومیکس پژوهش بر روی متاژنوم­های ویروسی است. در متاترانسکریپتومیکس mRNA مورد آنالیز قرار می­گیرد که به دلیل ناپایدار بودن آن در نمونه­های زیست­محیطی، گردآوری و رمزگشایی از آن چالش اصلی این آمیکس است. شناسایی و اندازه­گیری پروتئین­های گوناگون که می­تواند مستقیما فعالیت میکروبی را اندازه­گیری نماید در متاپروتئومیکس انجام می­شود. متابولومیکس زیست­محیطی مطالعه­ی متابولیت­های مولکولی با وزن کم تولید شده از برهمکنش­های میان میکروارگانیسم­ها همانند یوکاریوت­های کوچک، گیاهان، جانوران، شکارچیان و تنش­های غیرزنده و دیگر محرک­ها است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


(1) فروزان، ا. 1396. جستجوی ژن‌های مقاومت به فلز سنگین در متاژنوم معادن آهن استان سمنان. پایان‌نامه دکتری بیوتکنولوژی کشاورزی. پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک و زیست‌فناوری.
(2) طهمورث‌پور، آ.، صالحی، ر.، کسری‌کرمانشاهی.، و اسلامی، گ. 1388. استخراج RNA از سلول‌های بیوفیلم استرپتوکوکوس موتانس. مجله میکروب‌شناسی پزشکی ایران، 4: 9-14.
(3) موسوی ملکی، م.س. 1391. بررسی تنوع میکروبی محیط اطراف معدن کرومیت فرومد در استان سمنان به روش متاژنومیکس. پایان‌نامه کارشناسی ارشد بیوتکنولوژی کشاورزی. دانشگاه پیام‌نور مرکز تهران شرق.
(4) میرزایی اصل، ا.، گودرزی، ص.، و خدائی، ل. 1394. تجزیه داده‌های زیستی (ابزارهای داده‌پردازی زیستی). انتشارات دانشگاه بوعلی‌سینا، همدان. 304 ص.
(5) همت‌جو، م.ح. 1396. متاژنومیکس؛ پرده‌برداری از رازهای سیاره‌ی میکروبی ما. انتشارات چاپار-اساطیر پارسی، تهران. 493 ص.
(6) همت‌جو، م.ح. 1397. بهره‌گیری از متاژنومیکس برای شناخت دگرگونی ریزجانداران در خاک‌های آلوده به فلزهای سنگین. پایان‌نامه دکتری بیولوژی و بیوتکنولوژی خاک. دانشگاه بوعلی‌سینا.
(7) همت‌جو، م.ح. صفری سنجانی، ع. ا.، میرزایی اصل، ا.، طهمورث‌پور، آ. 1397. بهره گیری از انگشت نگاری PCR-DGGE و تنفس خاک برای شناخت دگرگونی‌های باکتریایی در خاک های آلوده به فلزهای سنگین. مجله زیست‌شناسی میکروارگانیسم‌ها، 29: 56-41.
(8) Ajami, N.J., and Petrosino, J.F. 2015. Toward the human virome. In: Izard, J., and Rivera, M.C., editors. Metagenomics for microbiology. 3rd ed. Academic Press is an imprint of Elsevier, 32 Jamestown Road, London NW1 7BY, UK, pp. 112-134.
(9) Arpanahi AA, Feizian M, Mehdipourian G, and Namdar Khojasteh D. 2020. Arbuscular mycorrhizal fungi inoculation improve essential oil and physiological parameters and nutritional values of Thymus daenensis Celak and Thymus vulgaris L. under normal and drought stress conditions. Europian Journal of soil Biology, 3: 100:108.
(10) Castillo, E.D., and Izard, J. 2015. Metagenomics for Bacteriology. In: Izard, J., and Rivera, M.C., editors. Metagenomics for microbiology. 3rd ed. Academic Press is an imprint of Elsevier, 32 Jamestown Road, London NW1 7BY, UK, pp. 112-134.
(11) Fierer, N., Ladau, J., Clemente, J.C., Leff, J.W., Owens, S.M., Pollard, K.S., Knight, R., Gilbert, J.A., and McCulley, R.L. 2013. Reconstructing the Microbial Diversity and Function of Pre-Agricultural Tallgrass Prairie Soils in the United States. Science, 342: 621-624.
(12) Friedman, J., and Alm, E.J. 2012. Inferring correlation networks from genomic survey data. PLOS Computational Biology, 8: 1-11.
(13) Gibbons, S.M., Caporaso, J.G., Pirrungd, M., Fielde, D., Knight, R., and Gilbert, J.A. 2012. Evidence for a persistent microbial seed bank throughout the global ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Ecology, 110: 4651-4655.
(14) Gilbert, A., Jansson, J.K., and Knight, R. 2014. The Earth Microbiome project: successes and aspirations. BMC Biology, 12: 1-4.
(15) Gittel, A., Barta, J., Kohoutova, I., Mikutta R., Owens, S., Gilbert, J., Schnecker, J., Wild, B., Hannisdal, B., Maerz, J., Lashchinskiy, N., Capek, P., Santruckova, H., Gentsch, N., Shibistova, O., Guggenberger, G., Richter, A., Torsvik, V., Schleper, C., and Urich, T. 2014. Distinct microbial communities associated with buried soils in the Siberian tundra. International Society for Microbial Ecology Journal, 8: 841-853.
(16) Gosalbes, M.J., Durban, A., Pignatelli, M., Abellan, J.J., Jimenez-Hernandez, N., and Perez-Cobas, A.E. 2011. Metatranscriptomic approach to analyze the functional human gut microbiota. PLoS One, 6: 1-9.
(17) Handelsman, J., Rondon, M.R., Brady, S.F., Clardy, J., and Goodman, R.M. 1998. Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products. Chemistry & Biology, 5: 248-249.
(18) Hazen, T.C., Rocha, A.M., and Techtmann, S.M. 2013. Advances in monitoring environmental microbes. Current Opinion in Biotechnology, 24: 526-533.
(19) Hemmat-jou, M. H., Safari-Sinegani, A. A., Mirzaie-Asl, A., and Tahmourespour, A. 2018. Analysis of Microbial Communities in Heavy Metals-Contaminated Soils Using Metagenomic Approach. Ecotoxicology, 1: 1-11.
(20) Hemmat-jou, M. H., Safari-Sinegani, A. A., Che, R., Mirzaie-Asl, A., Tahmourespour, A and Tahmasbian, I. 2020. Toxic trace element resistance genes and systems identified using the shotgun metagenomics approach in an Iranian mine soil. Environmental Science and Pollution Research, 1: 1-12.
(21) Hettich, R.L., Pan, C., Chorney, K., and Giannone, R.J. 2013. Metaproteomics: harnessing the power of high performance mass spectrometry to identify the suite of proteins that control metabolic activities in microbial communites. Analytical Chemistry, 85: 4203-4214.
(22) HMP Consortium. 2012. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature, 486: 207-214.
(23) Hollister, E.B., Brooks, J.P., and Gentry, T.J. 2015. Bioinformation and ’Omic Approaches for Characterization of Environmental Microorganisms. In: Pepper, I.L., Gerba, C.P., and Gentry, T.J., editors. Environmental Microbiology, 3th ed. Academic Press is an imprint of Elsevier, 525 B Street, Suite 1800, San Diego, CA 92101-4495, USA, pp. 482-505.
(24) Kanehisa, M., Goto, S., Sato, Y., Furumichi, M., and Tanabe, M. 2012. KEGG for integration and interpretation of large-scale molecular data sets. Nucleic Acids Research, 40: 109-114.
(25) Karsenti, E., Acinas, S.G., Bork, P., Bowler, C., Vargas, C.D., Raes, J., Sullivan, M., Arendt, D., Benzoni, F., Claverie, J.M., Follows, M., Gorsky, G., Hingamp, P., Iudicone, D., Jaillon, O., Kandels-Lewis, S., Krzic, U., Not, F., Ogata, H., Pesant, S., Reynaud, E.G., Sardet, C., Sieracki, M.E., Speich, S., Velayoudon, D., Weissenbach, J., and Wincker, P. 2011. A Holistic Approach to Marine Eco-Systems Biology. PLoS Biology, 9: 1-5.
(26) Kim, S.I., Kim, J.Y., Yun, S.H., Kim, J.H., Lee, S.H., and Lee, C. 2004. Proteome analysis of Pseudomonas sp. K82 biodegradation pathways. Proteomics, 4: 3610-3621.
(27) Luo, W., and Brouwer, C. 2013. Pathview: An R/bioconductor package for pathway-based data integration and visualization. Bioinformatics, 29: 1830-1831.
(28) Luo, C., Tsementzi, D., Kyrpides, N., Read, T., and Konstantinidis, K.T. 2012. Direct comparisons of Illumina vs. Roche 454 sequencing technologies on the same microbial community DNA sample. PLoS One, 7, 1-12.
(29) McHardy, I., Goudarzi, M., Tong, M., Ruegger, P., Schwager, A.E., and Weger, J. 2013. Integrative analysis of the microbiome and metabolome of the human intestinal mucosal surface reveals exquisite inter-relationships. Microbiome, 2618: 1-17.
(30) Mueller, R.S., Dill, B.D., Pan, C., Belnap, C.P., Thomas, B.C., and VerBerkmoes, N.C. 2011, Proteome changes in the initial bacterial colonist during ecological succession in an acid mine drainage biofilm community. Environmental Microbiology, 13: 2279-2292.
(31) Myrold, D.D., and Nannipieri, P. Classical techniques versus omics approaches. 2014. In: Nannipieri, P., Pietramellara, G., and Renella, G., editors. Omics in Soil Science. 1st ed. Caister Academic Press, Portland, OR, pp. 179-187.
(32) Nicol, G.W., and Schleper, C. 2006. Ammonia-oxidising Chrenarchaeota: important players in the nitrogen cycle? Trends in Microbiology, 14: 207-212.
(33) Pir, P., Kirdar, B., Hayes, A., Onsan, Z.I., Ulgen, K., and Oliver, S. 2006. Integrative investigation of metabolic and transcriptomic data. BMC Bioinformatics, 7: 1-12.
(34) Ram, R.J., VerBerkmoes, N.C., Thelen, M.P., Tyson, G.W., Baker, B.J., and Blake, R.C. 2005. Community proteomics of a natural microbial biofilm. Science, 308: 1915-1920.
(35) Rivera, M.C., and Izard, J. 2015. Promises and Prospects of Microbiome Studies. In: Izard, J., and Rivera, M.C., editors. Metagenomics for microbiology. 3rd ed. Academic Press is an imprint of Elsevier, 32 Jamestown Road, London NW1 7BY, UK, pp. 144-159.
(36) Tahmourespour, A., Salehi, R., and Kasra-Kermanshahi, R., 2011. Lactobacillus acidophilus-derived biosurfactant effect on GTFB and GTFC expression level in Straptococcus mutants' biofilm cells. Brazilian Journal of Microbiology, 42: 330-339.
(37) Thies, J.E. 2015. Molecular Approaches to Studying the Soil Biota. In: Paul, E.A., editor. Soil Microbiology, Ecology, and Biochemistry, 4th ed. USA: Academic Press, Elsevier, pp. 151-185.
(38) Treusch, A.H., Leininger, S., Kletzin, A., Schuster, S.C., Klenk, H.P., and Schleper, C. 2005. Novel genes for nitrite reductase and Amo-related proteins indicate a role of uncultivated mesophilic Crenarchaeota in nitrogen cycling. Environmental Microbiology, 7: 1985-1995.
(39) Turner, T.R., Ramakrishnan, K., Walshaw, J., Heavens, D., Alston, M., Swarbreck, D., Osbourn, A., Grant, A., and Poole, P.S. 2013. Comparative metatranscriptomics reveals kingdom level changes in the rhizosphere microbiome of plants. International Society for Microbial Ecology Journal, 7: 2248-2258.
(40) Tyson, G.W., Chapman, J., Hugenholtz, P., Allen, E.E., Ram, R.J., and Richardson, P.M. 2004. Community structure and metabolism through reconstruction of microbial genomes from the environment. Nature, 428: 37-43.
(41) Urich, T., Lanze´n, A., Qi, J., Huson, D.H., Schleper, C., and Schuster, S.C. 2008. Simultaneous assessment of soil microbial community structure and function through analysis of the meta-transcriptome. PLoS One, 3: 1-13.
(42) VerBerkmoes, N.C., Denef, V.J., Hettich, R.L., and Banfield, J.F. 2009. Functional analysis of natural microbial consortia using community proteomics. Nature Reviews Microbiology, 7: 196-205.
(43) Vetrovsky, T., and Baldrian, P. 2013. The variability of the 16S rRNA gene in bacterial genomes and its consequences for bacterial community analyses. PLoS One, 8: 1-10.