فهرست مطالب
دنیای شگفت‌انگیز میکروارگانیسم‌ها، با تمام جذابیت‌های خود گاهی پیچیدگی‌ها و محدودیت‌هایی را نیز به همراه دارد. یکی از این محدودیت‌ها، کشت میکروارگانیسم‌های سخت رشد و یا غیرقابل کشت و تهیه‌ی یک کشت خالص از آنها در آزمایشگاه برای مطالعه‌ی آن‌هاست. اما چگونه می‌توان چنین میکروارگانیسم‌هایی را مورد مطالعه قرار داد؟ پاسخ این پرسش را می‌توان با کمک متاژنومیک تعریف کرد.
نگاهی به متاژنومیک
دستاوردهای جدید در حوزه‌ی علوم زیست مولکولی و تکنولوژی توالی‌یابی، انجام مطالعات متاژنومیکی را تحقق بخشید؛ در واقع، متاژنومیک علم مطالعه‌ی مواد ژنتیکی به دست آمده از نمونه‌هایی است که مستقیما از محیط جمع‌آوری شده‌اند. این روش امکان مطالعه‌ی ژن‌ها و ارگانیسم‌ها را به شیوه‌ای دقیق و مطمئن فراهم می‌کند. اما کاربرد و اهمیت این حوزه در بررسی و مطالعه‌ی میکروارگانیسم‌ها چیست؟
نکته‌ی بسیار حائز اهمیت در مطالعه‌ی ژن‌ها این است که ژن‌ها دربردارنده‌ی اطلاعات مربوط به نحوه‌ی رشد و عملکرد یک ارگانیسم هستند؛ از طرفی دیگر، مطالعات فیلوژنتیکی انجام‌شده روی ارگانیسم‌ها و موجودات که تاریخچه تکاملی و نحوه‌ی ارتباط یک ارگانیسم با ارگانیسم دیگر را مشخص می‌کند، از طریق همین محتوای ژنی آن‌هاست که امکان‌پذیر می‌شود.
همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، متاژنومیک امکان مطالعه‌ی محتوای ژنتیکی موجود در نمونه‌های محیطی مثل نمونه‌های به دست آمده از خاک، آب، نمونه‌های بافتی مثل پوست، مدفوع و یا نمونه‌های غذایی مثل ماست و… را فراهم می‌کند؛ چنین نمونه‌هایی را نمونه‌ی حجیم (bulk sample) می‌نامند. متاژنومیک ممکن است برای بررسی هر نوع نمونه‌ی حجیمی مورد استفاده قرار گیرد و نیز می‌تواند برای محققان این امکان را فراهم کند تا به‌طور دقیق کل محتوای ژنوم میکروارگانیسم‌ها را مورد مطالعه قرار دهند.
توالی‌یابی متاژنومیکی
روش توالی‌یابی متاژنومیکی، به مفهوم فرآیند تعیین ترتیب توالی نوکلئوتیدها در مولکول DNA یک ارگانیسم است که ابزاری بسیار مهم در مطالعات متاژنومیکی به شمار می‌آید. این روش امکان بررسی و مطالعه‌ی هرچه بهتر و دقیق‌تر ژن‌ها و ژنوم جوامع میکروبی اکوسیستم‌های مختلف موجود در نمونه‌های به دست آمده از محیط را برای محققان فراهم می‌آورد.
از طرف دیگر، با این روش پژوهشگران قادر خواهند بود تا به جای تهیه‌ی کشت‌های خالص از میکروارگانیسم در آزمایشگاه، به‌طور مستقیم نمونه‌های متاژنومیکی را توالی‌یابی کنند. مزیت این کار، دسترسی به ژن‌های ارگانیسم‌هایی است که قبلا به‌عنوان ارگانیسم‌های غیرقابل کشت شناخته می‌شدند و یا کشت و تهیه‌ی ایزوله‌های خالص از آنها در محیط آزمایشگاهی امری دشوار به حساب می‌آمد.
اطلاعات به دست آمده از این روش، درک بهتر و جامع‌تری از اکولوژی میکروبی (نقشی که میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های طبیعی خود) در اختیار ما قرار داده و امکان ایجاد روش‌های نوین در درمان بیماری‌های عفونی در انسان، بهبود تولید مواد غذایی و حفاظت از محیط زیست را در دسترس پژوهشگران قرار می‌دهد.
اهمیت مطالعه‌ی محتوای کلی ژنوم میکروارگانیسم‌ها
میکروارگانیسم‌ها و به‌طور کلی جوامع میکروبی از جهات مختلفی حائز اهمیت هستند. این میکروارگانیسم‌ها می‌توانند سلامت انسان را تحت تاثیر قرار داده و نیز در تولید مواد غذایی و تغییرات اقلیمی از جمله گرم شدن کره زمین موثر باشند. مطالعات متاژنومیکی صورت گرفته روی این جوامع، نحوه‌ی عملکرد این میکروارگانیسم‌ها را به‌طور دقیق مشخص می‌کند که می‌تواند امکان بکارگیری این موجودات شگفت‌انگیز را برای بهبود زندگی انسان فراهم کند.
DNA مولکولی موجود در ویروس‌ها، قارچها، باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌های دیگر از جمله مواردی هستند که مورد بررسی‌های متاژنومیکی قرار گرفته و توالی‌یابی می‌شوند. بررسی این توالی‌ها در میکروارگانیسم‌ها می‌تواند در کشف میکروارگانیسم‌های جدید، بررسی تکامل میکروارگانیسم‌های شناخته‌شده و نیز در شناخت عملکرد ژن‌های میکروبی موثر واقع شود.
متاژنومیکس علاوه‌بر باکتری‌ها و جوامع میکروبی محیطی، یوکاریوت‌های میکروبی موجود در میکروبیوم انسان را نیز برای فهم بهتر نقش این میکروب‌ها در سلامت و بیماری انسان مورد مطالعه قرار می‌دهد. مطالعات متاژنومیکی صورت گرفته روی این ژنوم‌های میکروبی، در ایجاد روش‌های جدید در تشخیص و درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها کاربردی بسیار حائز اهمیت دارد. در واقع، تمام نتایج به دست آمده از این روش می‌تواند برای بهبود زندگی انسان بکار گرفته شود.
اهمیت بکارگیری متاژنومیک در بررسی تنوع میکروبی
اعضای یک جامعه میکروبی می‌توانند در فعالیت‌ها و تعاملات بیولوژیکی خود، نه تنها در بین گونه‌ها، بلکه در درون گونه‌ها نیز تفاوت‌های زیادی داشته باشند. این تنوع و پیچیدگی گسترده در میان میکروارگانیسم‌ها غیرقابل انکار است؛ اما نقش متاژنومیکس در بررسی این تفاوت‌ها چیست؟
متاژنومیکس با شناسایی این تفاوت‌ها، فراهم آوردن ارتباط مستقیم بین ژن‌ها و عملکرد آنها در محیط و نیز شناخت چگونگی برهمکنش میکروب‌ها با هم و با محیط اطراف خود در یک جامعه میکروبی می‌تواند اطلاعاتی مفید از تنوع میکروبی این جوامع در اختیار ما قرار دهد. به عبارت بهتر، با این روش تنوع ژنتیکی بین گونه‌های مختلف میکروبی مورد شناسایی قرار گرفته و امکان یافتن ژن‌های جدید و شناخت عملکرد آنها امکان‌پذیر خواهد شد.
همچنین، تکیه بر مطالعات متاژنومیکی صورت گرفته روی میکروارگانیسم‌ها، بینش بهتری از ژن‌های میکروبی و عملکرد آنها در محیط‌های طبیعی خود و نیز میکروبیولوژی محیطی مربوط به این جوامع میکروبی نسبت به روش‌های سنتی تهیه کشت‌های خالص آزمایشگاهی در اختیار محققان قرار می‌دهد.
استراتژی‌ها و تکنیک‌های مورد استفاده در متاژنومیک
استراتژی‌های مختلفی از متاژنومیک عملکردی برای مطالعه‌ی تنوع میکروبی در دسترس میکروبیولوژیست‌ها قرار دارد؛ در ادامه قصد داریم تا دو مورد از پرکاربردترین استراتژی‌ها در این زمینه را معرفی کنیم:
- استراتژی‌های متکی بر توالی‌یابی
- استراتژی‌های متکی بر فنوتیپ
استراتژی‌های متکی بر توالی‌یابی
در این روش، توالی ژن 16s rRNA (RNA ریبوزومی) که در تمام باکتری‌ها و آرکی‌ها یافت می‌شود، تنوع میکروبی مورد بررسی قرار می‌گیرد. این توالی در شناسایی میکروارگانیسم‌ها و همچنین تعیین روابط تکاملی بین میکروارگانیسم‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه‌بر شناسایی میکروارگانیسم‌ها براساس توالی 16s rRNA، می‌توان از این روش در تعیین کمیت و مقدار میکروارگانیسم‌های موجود در نمونه‌های محیطی و همچنین مطالعه‌ی ساختار و عملکرد جوامع میکروبی استفاده کرد.
یکی از استراتژی‌های متکی بر توالی‌یابی، استراتژی Random Shotgun Sequencing است که شامل تعیین توالی رشته‌های تصادفی از DNA موجود در نمونه‌های محیطی است؛ درنهایت داده‌های به دست آمده از این طریق، با داده‌های موجود در پایگاه‌های توالی‌های از پیش تعیین‌شده مقایسه می‌شوند که امکان شناسایی ژن‌ها و عملکرد آنها را فراهم می‌کند.
روش shotgun sequencing در مطالعه‌ی ساختار و عملکرد جوامع میکروبی پیچیده بسیار کاربردی بوده و مسیر را در مطالعه‌ی هرچه دقیق‌تر میکروبیوم انسان هموارتر می‌کند.
استراتژی‌های متکی بر فنوتیپ
در این روش، بیان فنوتیپ‌های خاص در ارگانیسم میزبان مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ بیان چنین فنوتیپ‌هایی از طریق قطعات DNA دریافت‌شده در میزبان صورت می‌گیرد که درنهایت این فنوتیپ و DNA یافت‌شده در نمونه‌ی محیطی خاص با اطلاعات موجود در کتابخانه‌های متاژنومیکی مقایسه می‌شود. این کتابخانه‌ها برای ژن‌هایی تعریف شده‌اند که فنوتیپ خاصی مانند مقاومت به یک آنتی‌بیوتیک خاص را ایجاد می‌کنند. وجود این ژن‌ها نشان می‌دهد که میکروارگانیسم حامل آن ژن خاص در محیط وجود دارد. از مزایای این روش در بررسی تنوع میکروبی کاربرد آن در اندازه‌گیری چگونگی تنوع فنوتیپ‌های مقاوم به مواد ضدمیکروبی در بین نمونه‌های مختلف حاوی واریانت‌های متفاوت است.
با این حال، این روش معایبی نیز دارد؛ برخی از ژن‌ها ممکن است در کتابخانه بیان نشده باشند و برخی از ژن‌ها ممکن است بیش از یک فنوتیپ را ایجاد کنند، که می‌تواند منجربه شناسایی نادرست یک میکروارگانیسم شود. برخی از فنوتیپ‌ها نیز ممکن است متعلق به باکتری‌های غیرقابل کشت باشند و وجود آنها در محیط، توانایی باکتری‌های قابل کشت را برای بیان این فنوتیپ‌ها غیرفعال کنند.
توالی‌یابی متاژنومیکی در شناسایی عوامل پاتوژن
تقریبا تمام عوامل پاتوژن حاوی ژنوم DNA و یا RNA هستند؛ همین امر، موجب شده تا توالی‌یابی روشی بسیار موثر در ردیابی عوامل بیماریزا باشد. در بسیاری از موارد، علت عفونت در بیماران بستری با بیماری حاد تشخیص داده نشده و منجربه تاخیر در درمان، عدم دریافت درمان کافی، افزایش مدت بستری و مرگ و میر افراد می‌شود.
در مواردی که بیمار پیوند عضو انجام داده و یا مبتلا به مواردی از جمله سرطان و سندروم‌های ارثی باشد، به علت ضعف سیستم ایمنی در برابر عفونت‌ها آسیب‌پذیرتر و احتمال ابتلا به عفونت بیمارستانی نیز برای این افراد بالاتر خواهد بود. در این شرایط، عامل ایجاد عفونت ممکن است پاتوژنی رایج و شناخته‌شده و یا پاتوژنی غیرمعمول باشد؛ این پاتوژن‌ها ممکن است باکتری، ویروس، قارچ و یا حتی انگل باشند.
بازیابی و شناسایی ارگانیسم‌های عامل عفونت در کشت معمول (یعنی رشد در محیط کشت) به دلیل تجویز زود هنگام داروهای ضدمیکروبی با طیف وسیع یا پیشگیرانه و همچنین ارگانیسم‌های اسید فست و ارگانیسم‌های دارای رشد آهسته محدود است. از طرف دیگر، آزمایشات مولکولی رایج مبتنی‌بر PCR نیز با وجود دقت و حساسیت بالا نسبت به بسیاری از ارگانیسم‌ها، ممکن است یک پاتوژن نادر را از دست بدهد و یا پرایمرهای مورد استفاده با سویه میکروبی درگیر مطابقت نداشته باشند که همین امر حساسیت تشخیص را کاهش می‌دهد.
با وجود محدودیت‌هایی که در روش‌های میکروبیولوژی بالینی برای تشخیص پاتوژن‌های عامل عفونت وجود دارد، بکارگیری متاژنومیکس منجربه دستاوردهایی امیدوارکننده در تشخیص این عوامل شده‌است. در واقع، توالی‌یابی امکان تشخیص هر میکروارگانیسمی را فراهم می‌کند.
متاژنومیکس، با فراهم کردن امکان بررسی و توصیف کل جمعیت میکروبی به جای یک گونه‌ی منفرد به‌عنوان انقلابی در مطالعات ژنتیک و ژنومیک به شمار می‌آید. این رویکرد پتانسیل بسیار زیادی برای درک برهمکنش‌های پیچیده‌ی بین میکروارگانیسم‌های مختلف و محیط آنها دارد.
علاوه‌براین، متاژنومیکس می‌تواند برای شناسایی میکروارگانیسم‌های ناشناخته و مطالعه عملکرد ژن‌های میکروبی استفاده شود. درک جامع‌تر از تنوع و عملکرد جوامع میکروبی و همچنین شناسایی میکروارگانیسم‌ها و ژن‌های جدید، تنها بخش کوچکی از مزایای متاژنومیکس است که آن را به ابزاری قدرتمند برای درک دنیای پیچیده میکروب‌ها و نقش آنها در محیط ما تبدیل می‌کند.
نویسنده: ستاره سنگری
منابع:
