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martes, 22 de noviembre de 2011

Resumen Seminario Metagenómica de virus de la Antártida.Alberto Lopez-Bueno. Facultad de Biología UAM.


METAGENÓMICA DE VIRUS EN LA ANTÁRTIDA. Alberto Lopez-Bueno. UAM

La metagenómica es un conjunto de técnicas basado en la secuenciación masiva que permite el estudio de microorganismos en su ambiente natural sin necesidad de cultivarlos.  Esto ultimo es muy importante porque muy pocos microorganismos crecen en sistemas de cultivo de laboratorio, menos de un 1%. Por lo tanto, se sacaban conclusiones precipitadas. 

Para dar respuesta a esta carencia nace la metagenómica que tiene, frente a la genómica, la ventaja de tener una información del 100% de los microorganismos de un medio. El estudio del 100% es importante porque las bacterias y otros microorganismos son las principales de los procesos más importantes del planeta y en todos los ambientes. 

Por otra parte, alrededor de 100 billones de bacterias viven en nosotros (10 veces más que células humanas) y contienen 100 veces más genes que el genoma humano. Además, nos permite conocerlas y usarlas en ciertos procesos como los de biorremediación, funciones protectoras y de aumento de eficiencia en cultivos vegetales. Por último la producción de biocombustibles. 

La historia de la virología se ha concentrado en el estudio de virus que nos afectan directa o indirectamente por lo que nuestro conocimiento es mínimo. El detonante para aumentar los horizontes fue el inicio  de la fluorescencia que nos permitió observar que los virus son las entidades biológicas más abundantes y diversas del planeta. 

Los virus no solo regulan la composición si no la cantidad de las comunidades de los diferentes microorganismos porque hacen presión sobre los componentes de el sistema modificando su composición. Esto es porque son específicos, en los genomas de las bacterias hay profagos (ciclo lisogénico) insertados. Por otra parte, existe la transferencia horizontal de genes, como por ejemplo la mayor de los virus que infectan cianobacterias en los océanos contienen genes fotosínteticos y los virus les transfieren genes nuevos para la fotosíntesis. 

Una cosa curiosa es que los virus pueden afectar al clima porque los virus infectan ciertas algas que al morir liberan gas a la atmosfera (DMS) que actua como agente formador de nubes. 

¿Qué es un metagenoma? Extracción de ADN o ARN total de una comunidad de microorganismos procarioticos y virus que se separan por filtración o centrifugación.  De estos filtros obtenemos microbiomas o viromas dependiendo del tamaño del filtro. 

A continuación hay que fragmentar el DNA (enzimas de restricción, shotgun, etc) y se clonan en plásmidos, fasmidos, BACs, etc. El DNA es captura o clonado y se secuencia (sanger, pirosecuenciación o ultrasecuenciación). 

El problema es analizarlos porque se descargan millones de secuencias por lo que aquí entra en juego la bioinformática que permite el ensamblaje y la comparación con bases de datos. El ensamblaje consiste en construir, a partir de secuencias pequeñas, contigs.  Tambien es necesario comparar con bases de datos para averiguar la taxonomía de especies del ecosistema y las funciones que están codificadas por esos microorganismos o a que está dedicado el ecosistema. 

Esto ha dado lugar a un gran número de proyectos basados en metagenómica para descubrir nuevos microorganismos y su función en el medio. El primer metagenoma de virus se hizo en el 2006 donde se estimo una gran diversidad. En ese momento, había muy pocos virus secuenciados en la base de datos.
Lo más impactante es que la mayoría de esas secuencias eran desconocidas, es decir, no se parecían a nada que estuvieran en la base de datos. Esto es un atisbo de todo lo que nos queda por conocer, incluidos, virus endógenos del cuerpo humano.  Lo sorprendente, es que incluso siendo la población bacteriana muy similar entre gemelos monocigoticos, la población vírica es muy diferente. 

En la Antártida se comienzan a caracterizar unos lagos con ecosistemas muy sencillos de forma que es un sistema modelo para estudiar como los virus controlan el ecosistema mediante su influencia en la composición del ecosistema. Como la Antártida se separó hace muchos millones de años y permanece aislada por una serie de corrientes y vientos de forma que se dificulta el intercambio de vida; es un buen lugar para buscar organismos endémicos y con características especiales.  Por todas estas condiciones, los organismos se podrían haber adaptado a estas condiciones tan extremas cosa que es interesante para el estudio. Sin embargo la afluencia de turismo, el calentamiento global y el agujero de ozono está poniendo en peligro este ecosistema único haciendo que se derritan y desintegren partes del mismo. 


El estudio se centra en la Peninsula de Byers en la isla Livingston que en ciertas épocas del año permanece sin hielo.  Es una zona de especial protección porque es el principal asentamiento de elefantes marinos y pingüinos por lo que el impacto de la presencia del hombre tiene que ser mínima. 

La zona más interna, más aislada del mundo exterior, es un mundo con muy poca vida pero la retirada de hielo deja al descubierto riachulos y lagos. Debajo de la capa de hielo hay 5 m de agua líquida y se recogen muestras de agua tanto cuando hay hielo como cuando no lo hay.  Con las muestras se hace un preprocesado: filtrado de los virus y concentrado. Estas muestras se llevaron al cbm donde se concentraron aun más. Estos stocks de virus concentrados son los que se han utilizado para el estudio. 


Por una simple microscopia se pudieron encontrar diferentes tipos de virus y fagos;incluso algunas estructuras que no se sabe si quiera si son virus o no. Con esto se clasifican y se observan las diferencias entre primavera (dominado por partículas virales pequeñas) y verano (partículas virales grandes). 

A continuación se lleva a cabo un tratamiento con nucleasas para eliminar el DNA que no está protegido. A continuación se amplifica al azar y secuencia. Por último se hizo un análisis del que se compararon todos los virus encontrados. La inmensa mayoría de las secuencias eran desconocidas. Las conocidas fueron clasficadas en 12 familias, cosa curiosa porque era una cantidad de familias muy diversa en comparación con otros medios como el mar u otros lagos.  Gracias a esto se pudo establecer la cantidad de especies presentes en ese lago a diferencia de lo que se podía pensar en un principio ya que era un ecosistema muy sencillo. 

Un grupo de virus que interesó fueron los Phycodnavirus que infectan algas y son los dominantes en verano. Esto está en concordancia con que en verano, había un bloom de algas, por lo que en el estudio salió como virus mayoritario. 

Se pudo obtener información acerca de la polimerasa de este virus lo que ha dado lugar a un nuevo horizonte en secuenciación en frio, cosa que no pueden hacer las polimerasas utilizadas en laboratorio.  El problema es que tendría que tener una alta afinidad. 

Por otra parte, los genomas más pequeños sí que pudieron ser completados dando lugar a semejanzas y diferencias con los virus conocidos. Las diferencias dieron lugar a pensar que se encontraron virus de una familia nueva que es la realmente dominante en el lago limnopolar. 


Seminario impartido por Alberto Lopez-Bueno