ANALYSE DE MÉTAGÈNOMES

ANALYSE DU MÉTAGÉNOME

Présentation - Qu'est-ce que la métagénomique ?

La métagénomique, contrairement à la méta-taxonomique (qui est l'analyse de l'ARNr 16S), est l'étude de l'ensemble de l'information génétique de tous les membres du microbiote d'un habitat naturel et ce, en utilisant la technique de séquençage du génome entier. Ce domaine se concentre sur l'analyse génétique directe des génomes microbiens isolés à partir d'environnements aussi divers que l'intestin humain ou les sources géothermiques. La métagénomique constitue une alternative au séquençage d'amplicons ciblé dans l'étude de microbiotes non cultivés. En proposant d'accéder directement à l'ensemble du patrimoine génétique des communautés microbiennes, la métagénomique peut offrir un précieux aperçu du mécanisme moléculaire de nouvelles enzymes et de nouveaux biocatalyseurs ainsi que des liaisons génomiques entre la fonction et la structure des communautés. La métagénomique constitue un puissant outil permettant d'expliquer la relation entre les communautés microbiennes associées à un hôte et le phénotype de cet hôte.

Applications – Quels sont les avantages du séquençage du métagénome ?

Plusieurs avantages spécifiques sont associés à la capacité de séquençage de l'ensemble de l'information génétique de tous les organismes contenus dans un échantillon complexe, parmi lesquels :

  • Des résultats non biaisés ni influencés par certains loci génomiques spécifiques 
  • Une indépendance vis-à-vis des marqueurs génétiques fournissant des informations taxonomiques
  • Une capacité à étudier des microbes très différents tels que les virus
  • Des estimations précises de la diversité microbienne
  • La détection de l'abondance des micro-organismes dans des environnements variés
  • L'analyse de micro-organismes non cultivés
  • Des informations sur la composition et sur les capacités fonctionnelles d'un écosystème
  • Des recherches sur les gènes fonctionnels et les clusters

Procédures et process - Méthodes & techniques de séquençage du métagénome

L'analyse du métagénome par séquençage nouvelle génération (NGS) comprend plusieurs étapes distinctes. L'ADN total est tout d'abord extrait de l'échantillon. Après fragmentation, l'ADN est soumis à une ligature des adaptateurs pour la préparation finale d'une banque Illumina. Les banques sont analysées à l'aide de lectures d'extrémités appariées afin d'optimiser la couverture des amplicons. Les lectures sont triées et assemblées en contigs. Pour réaliser en option l'assemblage de novo d'un génome, on effectue un regroupement par classes (binning) du génome avec les contigs afin de reconstruire des génomes complets et d'affecter ces génomes assemblés à la taxonomie la plus proche possible. Il est en outre possible d'effectuer une analyse fonctionnelle pour détecter les cadres ouverts de lecture et les fonctions génétiques associées.   

Schème: Procédures et process de séquençage du métagénome

Exemples de métagénomes

Le métagénome humain

En santé humaine, la métagénomique joue un rôle important de diagnostic, de typage des agents pathogènes, de détection de la virulence et de l'antibiorésistance ainsi que dans le développement de nouveaux vaccins et milieux de culture. L'analyse complète des microflores complexes humaines, qu'elles soient commensales ou pathologiques, a permis de mieux comprendre et de mieux prendre en charge les pathologies humaines comme l'obésité. Une meilleure caractérisation du microbiote du vagin, du tractus digestif, de la peau et du système respiratoire a permis de mieux comprendre comment des communautés microbiennes perturbées affectent la santé de leur hôte. Le séquençage métagénomique peut en outre servir à identifier les biomarqueurs du bien-être qui correspondent à une eubiose. Les différences inter-individuelles du microbiote humain sont aussi cruciales pour établir une médecine personnalisée en vue d'un futur traitement. 

La métagénomique dans la recherche sur le cancer

Les microbes représentent plus de 15 % du fardeau mondial du cancer. Dans ce domaine, la métagénomique fait office d'approche équitable pour identifier, analyser et cibler la diversité des microbes présents dans les échantillons de tissu cancéreux. En générant une vue métagénomique d'ensemble du microbiote dans les cas de cancer, il est possible d'établir des liens entre les micro-organismes et divers types de cancers. L'identification d'organismes potentiels associés à un cancer spécifique peut grandement améliorer le développement et la sélection des cibles thérapeutiques.  

La métagénomique et le microbiome intestinal humain

Plus de 1000 espèces microbiennes cohabitent dans cet organe complexe qu'est l'intestin humain. La métagénomique contribue à l'étude de la diversité du microbiome intestinal et de sa dysbiose ainsi qu'à celle de la relation entre le microbiote intestinal, la santé et les maladies. La métagénomique fonctionnelle peut aider à identifier de nouveaux types de gènes fonctionnels, de voies microbiennes et de gènes d'antibiorésistance ainsi qu'à analyser la coévolution entre le microbiote et l'hôte.

Les métagénomes viraux

Les virus représentent les entités biologiques les plus abondantes sur la planète. Aucun gène n'étant commun à l'ensemble des génomes viraux, il est impossible d'étudier les virus à l'aide des techniques habituellement utilisées comme le séquençage d'amplicons et la détermination du profil de l'ADN ribosomique. Une série d'études sur le métagénome viral montre que 60 à 99 % des séquences générées ne sont pas les homologues des virus connus, ce qui souligne l'importance de l'analyse génomique en virologie. De manière spécifique, la métagénomique virale a contribué à la découverte des virus, à la caractérisation des populations virales normales au sein d'une communauté bien portante et à l'identification des virus pouvant représenter une menace pour la santé humaine.

La métagénomique dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique

La métagénomique fonctionnelle présente un potentiel considérable pour l'industrie alimentaire et pharmaceutique. L'approche par NGS peut permettre l'identification d'enzymes nouvelles renfermant de précieuses propriétés technologiques et susceptibles d'agir dans des conditions extrêmes. Il est possible de recourir au séquençage métagénomique pour découvrir de nouveaux agents bioactifs comme les antimicrobiens ainsi que pour cibler le développement d'une antibiorésistance. En termes de contrôle qualité des aliments et des médicaments, cette approche constitue un outil précieux pour détecter les bons ingrédients, une contamination, des allergènes ou la détérioration des produits alimentaires.  

La métagénomique environnementale

Les métagénomes des communautés microbiennes présentes dans l'environnement fournissent de précieuses informations pour le développement des biocarburants, la remédiation environnementale, la découverte de produits agrochimiques et l'amélioration des pratiques agricoles. La métagénomique environnementale contribue à se concentrer sur l'écologie fonctionnelle des communautés environnementales allant d'une pièce d'eau à un échantillon de saletés, en passant par les débris aériens.

La diversité des microbes présents dans le sol est supérieure à n'importe quel autre écosystème microbien. L'analyse métagénomique des sols a jusqu'ici contribué à découvrir de nouvelles ressources microbiennes parmi lesquelles un certain nombre de gènes microbiens codant pour de nouvelles enzymes ou de nouveaux composés bioactifs.  

Le domaine de la métagénomique a contribué aux recherches sur la composition des communautés, sur les stratégies adaptatives et sur les fonctions biologiques des extrêmophiles. 

Le séquençage du métagénome peut potentiellement jouer un rôle significatif dans le contrôle qualité, par exemple en tant qu'outil d'évaluation de la qualité de l'eau. 

Différence entre génomique et métagénomique et séquençage de l'ARNr 16S

La principale différence entre génomique et métagénomique réside dans la nature même de l'échantillon. La génomique ne fait qu'explorer les informations génétiques complètes d'un seul organisme tandis que la génomique explore un mélange d'ADN de plusieurs organismes et entités comme les virus, les viroïdes et l'ADN libre. 

Le séquençage d'amplicons, principalement de l'ARNr 16S ou des gènes ITS, comprend l'extraction de l'ADN de l'ensemble des cellules d'un échantillon puis le ciblage d'un marqueur génomique informatif sur le plan taxonomique et commun à un groupe d'intérêt spécifique. Les amplicons obtenus sont séquencés et évalués par bioinformatique pour déterminer quels sont les micro-organismes présents dans l'échantillon et selon quelle abondance relative. 

Dans le séquençage nouvelle génération du métagénome, l'ADN est de nouveau extrait de toutes les cellules d'une même communauté. Plutôt que de cibler un locus génomique spécifique à des fins d'amplification, l'ADN entier est découpé en fragments séquencés un à un par séquençage aléatoire (type « shotgun »). Les lectures obtenues sont alignées par rapport à divers emplacements du génome pour l'ensemble des génomes présents dans l'échantillon, y compris les organismes non microbiens. 

Comparaison entre l'analyse 16S, l'analyse du métagénome et le séquençage du génome complet

Expertise scientifique : séquençage du métagénome

GATC Biotech dispose d'une longue expérience en analyse métagénomique. Le groupe dispose d'une infrastructure de séquençage bien rodée pour générer le gros volume de données nécessaires à l'obtention de résultats concrets dans des temps très courts. Il dispose d'un pipeline bioinformatique optimisé pour mener à bien l'analyse bioinformatique complexe faisant partie du processus. Le protocole de GATC Biotech est tout particulièrement spécialisé dans les métagénomes contenant de l'ADN de l'hôte indésirable. Ces échantillons sont traités suivant des techniques spécialisées afin d'enrichir sélectivement de l'ADN microbien avant de le séquencer et avec des procédés bioinformatiques exclusifs afin de filtrer les séquences d'ADN de l'hôte et de contaminants au cours du traitement des données. 

Au cours des années passées, GATC Biotech a contribué à déterminer le profil de communautés virales halophiles afin d'identifier de nouvelles bactéries capables de se biodégrader, de construire des génomes de lactobactéries, d'étudier les métagénomes intestinaux des diabétiques, d'explorer les virus à ADN présents sur la peau humaine et enfin d'étudier les éléments de résistance dans des cours d'eau contaminés par des antibiotiques. Fort de ses nombreuses publications dans le domaine de la métagénomique, GATC Biotech est enthousiaste de contribuer à vos recherches en microbiologie moléculaire.

Publications sur le séquençage métagénomique

Cliquez ici pour obtenir une liste d' articles scientifiques étayés par les produits de séquençage de GATC Biotech , y compris d'articles abordant les recherches sur la métagénomique.

Produits associés au séquençage du métagénome

GATC Biotech propose une solution complète pour réaliser le séquençage du métagénome. INVIEW METAGENOME est notre service standardisé adapté aux projets de métagénomique. Bien que ce produit cible essentiellement des échantillons du microbiote humain, d'autres types de matériel de départ peuvent être également analysés sur demande. Les chercheurs en microbiologie moléculaire peuvent profiter de temps de livraison rapides et de données de grande qualité. Nous proposons une solution complète allant de l'extraction de l'ADN à la préparation de banques, en passant par le séquençage par technique Illumina et l'analyse bioinformatique afin de générer pour nos clients un rapport de données final détaillé. 

Vous déterminez le profil des bactéries plutôt à l'aide d'un marqueur génétique bien défini comme l'ARNr 16S ? Essayez donc notre solution INVIEW MICROBIOME PROFILING 2.0 pour caractériser de manière approfondie des communautés microbiennes complexes ou INVIEW MICROBIOME HIGH SPECIFICITY pour effectuer la caractérisation moléculaire haute résolution de microbiomes à partir du séquençage du gène d'ARNr 16S entier. 

Vous explorez un nouvel organisme sans séquence génomique de référence ? Séquencez l'intégralité du génome sans gaps grâce à la technique SMRT (Single Molecule Real Time) de PacBio avec un séquençage utilisant INVIEW DE NOVO GENOME 2.0

Si vous ne disposez que d'un nombre d'échantillons limité et que vous n'êtes intéressé(e) que par quelques gènes spécifiques, voyez comment les services de séquençage Sanger peuvent faire passer vos projets de métagénomique à la vitesse supérieure. 

Autres documents à lire concernant le séquençage du métagénome

Banerjee, J. et al. Metagenomics: A new horizon in cancer research. Meta Gene 5, 84–89 (2015)

Sharpton, T.J. An introduction to the analysis of shotgun metagenomic data. Front Plant Sci. 5, 209 (2014)

Thomas, T. et al. Metagenomics - a guide from sampling to data analysis. Microb Inform Exp. 2,3 (2012)