Métagénomique
Principe
La métagénomique (du grec « meta » voulant dire au dessus de) est l’étude de tout l’ADN présent dans un échantillon. Cela veut dire que l’on étudie l’ADN présent dans l’environnement, sans faire de manipulations pré-analytique au laboratoire. Par exemple, dans le domaine biomédicale l’échantillon le plus utilisé sont les selles.
Méthodes
Il existe deux façons de faire de la métagénomique:
- La « 16s based metagenomics aussi appelée « Amplicon based Metagenomics »,
- La technique « shotgun metagenomics ».
La « 16s based metagenomics » ou « amplicon based metagenomics »: Dans un premier temps, la séquence ADN de l’ARN 16s des chromosomes bactériens est amplifiée (via des « primer » communs à toutes les espèces), puis séquencée via des techniques de séquençage nouvelles générations (« NGS »). Cela permet d’obtenir des « ASV » (amplicon sequence variant), qui sont des séquences d’ ARN 16s différentes d’au moins un nucléotide. On peut également classer ces séquences en « OTU » (operational taxonomic unit), chaque « OTU » ayant par exemple 1% de différence entre eux. Ensuite, il est possible d’identifier les espèces en se basant sur ces « OTU ».
On peut donc dire que cela permet d’identifier les espèces (de bactérie si l’on utilise la séquence d’ARN 16S) présentes dans un échantillon.
On peut aussi utiliser la séquence d’ARN 18S pour les eucaryotes.
La « shotgun metagenomics »: historiquement, la technique « shotgun » était une manière d’amplifier séparément des morceaux d’ADN dans des clones d’E. coli pour pouvoir ensuite les séquencer au moyen de la technique « Sanger ». Ces morceaux de séquences sont appelés « reads » et sont insérés dans une base de donnée pour définir de quel ADN il s’agit. La technique « shotgun » était nécessaire car la technique « Sanger » ne pouvait pas séquencer des brins trop grands d’ADN. Actuellement, la technique « shotgun metagenomics » fait référence au fait qu’on séquence l’intégralité des chromosomes bactériens d’un échantillon donné sans amplification préalable. Cela a pour avantage de pouvoir repérer des facteurs de virulence, des gènes de résistances aux antibiotiques, et des gènes que des bactéries auraient pu échanger par transfert génétique. La technique utilisée du « shotgun » actuelle est le « NGS » (next generation sequencing)
Il est possible d’utiliser le « shotgun metagenomics« et le « amplicon based metagenomics« simultanément car elles sont complémentaires.
Autant le « shotgun metagenomics« que le « amplicon based metagenomics« utilisent la « NGS » (next generation sequencing) et la bio-informatique.
« NGS« : La « NGS » fait référence aux techniques de séquençage d’ADN développée durant le XXIème siècle et permettant de séquencer des grands brins d’ADN. La « NGS » ne fait donc pas référence à la technique, car au sein de l’appellation « NGS » il existe différentes techniques comme illumina, Ion Torrent, ou encore Minion. Il convient à chaque laboratoire de choisir sa technique.
La métagénomique utilise des outils bio-informatiques. En effet tant le « shot gun sequencing » que le « amplicon based metagenomics » en ont besoin. Par exemple, pour comparer les « ASV » aux bases de données d’espèces, ou pour faire correspondre les séquences d’ADN à des gènes pour le « shot gun sequençing ».
Indications et application
En biologie la métagénomique permet d’apprécier la diversité d’espèce présent dans un milieu, ou encore le potentiel d’une communauté microbienne. Dans le domaine médical, la métagénomique permet l’analyse du microbiote, par exemple.
Inconvénients
- Des récentes études ont mis en évidence le rôle de champignons dans le microbiote intestinale des organismes vivants. Cependant, l’extraction d’ADN des champignons est plus compliquée et nécessite une méthode d’extraction différente. On pourrait donc imaginer un biais d’interprétation si l’on y fait pas attention.
- En ce qui concerne la technique du « shot gun sequencing », la définition d’espèce n’est pas standardisée, ainsi des espèces sont définies comme une différence de 2% dans la séquence d’ARN 16s. Cependant, les espèces de chlamydiae ont moins de 2% de différence dans leur séquence d’ARN 16S.
- On peut louper des micro organismes présents en petite concentration dans l’échantillon, malgré l’amplification.
Avantages
- La métagénomique permet de se passer de la culture en laboratoire, cela permet donc de détecter les bactéries non cultivables.
- On peut détecter potentiellement tous les organismes présents dans l’échantillon, peut importe l’espèce ou le genre.
Perspectives futures
La métagénomique est principalement utilisée dans le cadre de la phylogénie, ou pour identifier des gènes connus comme des facteurs de virulences. A l’avenir on pourrait imaginer mieux comprendre la fonction des séquences décryptées. En effet, la technique de séquençage est au point mais il nous manque encore les outils pour en comprendre la signification dans certaines situations.
Egalement, les maladies chroniques sont un problème de santé publique mondiale. Il est maintenant clair que bon nombre d’entre elles (maladies cardiovasculaire, maladies inflammatoires intestinales) sont associées à un déséquilibre de la flore intestinale. Le fait de pouvoir étudier le microbiote au moyen de la métagénomique, et d’étudier également les champignons faisant partie intégrale du microbiome d’individus, permettra peut-être de dépasser ces associations et d’aller plus loin dans la compréhension du commensalisme.