Métagénomique définie

Ce printemps, le Conseil national de recherches a publié un rapport intitulé La nouvelle science de la métagénomique : Révéler les secrets de notre planète microbienne. Pour beaucoup, le terme métagénomique peut sembler abstrait – après tout, cela ressemble à de la métaphysique. Alors, qu'est-ce que la métagénomique microbienne et quelle est sa pertinence pour l'avenir de la biologie, du génie biologique et de la biotechnologie ?

La recherche génomique conventionnelle sur les microorganismes détermine les séquences d'ADN de microbes individuels en examinant des souches cultivées. En métagénomique, les informations sur les séquences d'ADN sont extraites de communautés microbiennes entières in situ. Les approches métagénomiques utilisent ces données en vrac pour déduire les propriétés sous-jacentes des microbes individuels et des communautés microbiennes dans leur ensemble.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de juillet 2007

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La métagénomique fait progresser la compréhension des systèmes microbiens complexes de plusieurs manières. Les efforts de culture microbienne n'ont pas réussi à récupérer bon nombre des microorganismes qui prédominent dans une variété de milieux naturels et artificiels. La majorité des espèces microbiennes existantes et leurs comportements représentent donc une vaste terra incognita biologique. Les approches métagénomiques, qui évitent la nécessité de purifier et de cultiver des souches microbiennes individuelles, facilitent la récupération d'informations sur la séquence du génome à partir d'espèces microbiennes insaisissables. Un deuxième point, et peut-être plus important, est que les espèces microbiennes ne se présentent généralement pas sous forme de souches uniques ou de cultures pures. Au contraire, tout assemblage microbien donné peut comprendre des centaines d'espèces différentes, chacune affichant une variabilité génétique significative. La signification biologique et les conséquences fonctionnelles de cette formidable biodiversité intra et interspécifique restent obscures. Les approches métagénomiques permettent une évaluation directe de la diversité des communautés et fournissent des ensembles de données pertinents à la fois pour mesurer et modéliser les processus biologiques.

Les communautés microbiennes chez l'homme seront sans aucun doute étudiées de manière intensive à l'aide d'approches métagénomiques. Déjà, l'interaction complexe entre le génotype et le phénotype humains, et la composition et la réponse du microbiome associé, devient plus claire (voir Notre ménagerie microbienne ) . Mais d'autres utilisations de la métagénomique seront également importantes. Les applications énergétiques, y compris les biocarburants produits par voie microbienne et les nouveaux procédés de conversion de la biomasse, en sont un bon exemple. L'étude des effets anthropiques sur les processus microbiens qui régulent le bilan massique des cycles planétaires du carbone et de l'azote bénéficiera également de la métagénomique.

Comme la séquence du génome humain, les résultats de l'analyse métagénomique représentent un type de liste de pièces qui ne capture pas pleinement les propriétés fonctionnelles, les interrelations et la dynamique des communautés microbiennes vivantes. Cependant, ils commencent à étendre notre portée analytique au-delà du seul organisme. La génomique des populations, le métabolisme communautaire et les comparaisons génomiques de différentes communautés microbiennes sont désormais possibles. Nous ne sommes pas si loin d'une biologie des systèmes qui fournira une image plus holistique et précise de toute la hiérarchie des systèmes biologiques, des interactions moléculaires, subcellulaires et intercellulaires aux populations, communautés et écosystèmes.

Ed DeLong est professeur à la division de génie biologique et au département de génie civil et environnemental du MIT.

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