Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Blog do Mar de Cortez: Ciência Útil?

Em posts anteriores, falamos sobre nossa hipótese: a queda dos custos e a acessibilidade das ferramentas necessárias para a ciência e a exploração estão abrindo uma nova oportunidade para os exploradores amadores. Bem, ciência e exploração são ideias muito maiores do que apenas as ferramentas. E é importante sermos honestos sobre todo o processo enquanto nos preparamos para nossa viagem a Cortez. Para nós, não começou com uma hipótese científica. Começou com uma curiosidade, com a estrutura, explicação e processo modelados a partir daí.

Mac Cowell, co-fundador da DIYBio.org e Genefoo, tem liderado a parte científica de nossa viagem. Aqui ele dá uma explicação de como estamos pensando sobre isso e como isso está acontecendo.

Entre no Mac…

Como David anunciou, estamos indo para o Mar de Cortez nos 59 anos de John Steinbeck e Doc Ricketts, que navegaram no Mar de Cortez em uma expedição sem pressa de descobertas científicas dos anos 40: passeando, filosofando e pesquisando a vida marinha do golfo.

Como eles, vamos navegar Baja California no mesmo espírito de lazer e ciência. Só estamos trazendo robôs, biotecnologia moderna e o espírito do DIY. Em vez de coletar e catalogar a macrofauna marinha, vamos pesquisar alguns dos genomas dos micróbios que vivem no golfo usando sequenciamento de DNA e metagenômica. Ou pelo menos vamos tentar. Queremos testar nossas ferramentas e descobrir o quanto é possível.

Não somos pioneiros em novos métodos científicos ou tentamos realizar um estudo científico significativo (Steinbeck e Ricketts eram). Quando começamos, nem tínhamos uma hipótese para testar. Como amadores e diletantes, só queríamos explorar o mar de genomas que nos cercam, usando algumas das tecnologias fascinantes - e cada vez mais acessíveis - criadas pelos pesquisadores de genômica e agora criadores.

Nota: estamos muito conscientes das questões legais e éticas que envolvem esta viagem. Esse é um dos principais motivos pelos quais estamos indo: encontrar os limites e como eles afetarão a exploração dos cidadãos. Nós nos importamos muito em fazer a coisa certa. O próximo post irá explorar alguns desses regulamentos e desafios. Dito isso, por favor, nos informe nos comentários se você tiver comentários, preocupações ou ideias de pesquisa.

Oportunidades metagenômicas

Há muito DNA flutuando nos micróbios do oceano e a grande maioria nunca foi seqüenciada. Estima-se que uma única gotícula de água do mar contenha talvez 1-2 trilhões de bases de DNA espalhadas entre milhões de micróbios. Há muito, muito mais quando se considera o resto do ecossistema marinho, magnitudes mais quando se incluem vírus. Os cientistas estimam que talvez apenas 1-10% de todos os micróbios sobrevivam para estudo fora de seu ambiente e possam ser cultivados em condições de laboratório, portanto, ser capaz de seqüenciar diretamente o DNA de uma amostra ambiental pode fornecer uma imagem mais completa, embora ainda tendenciosa. os membros microbianos de um determinado ecossistema (Gilbert 2011).

Alguns cientistas estão começando a repensar os próprios limites que delineiam um organismo - em vez de tratar cada micróbio como um indivíduo completo, talvez faça mais sentido considerar comunidades de micróbios espacialmente distintas mas funcionalmente conectadas como uma única entidade - um “metaorganismo”. (Zarraonaindia 2013).

Pensar nessa noção de metaorganismos e usar o sequenciamento de DNA para investigar diretamente os genes e genomas de comunidades de micróbios são aspectos centrais de uma área de estudo relativamente nova chamada metagenômica. De acordo com uma revisão recente, a metagenômica pode ser formalmente descrita como o campo de pesquisa preocupado em investigar os consórcios de genes e genomas de um determinado nicho e perguntar “Quem está aí? O que eles estão fazendo? Quem está fazendo o que? E como a evolução está dirigindo isso? ”(Kennedy 2010).

Os custos decrescentes do seqüenciamento de DNA resultaram em um crescimento explosivo nos estudos de metagenômica na última década. Talvez uma das mais famosas foi a Expedição Global Ocean Sampling (GOS), liderada pelo cientista showman Craig Venter, que coletou amostras de micróbios marinhos via veleiro de 2004 a 2006, enquanto navegava pelo mundo. Em um estudo piloto realizado em 2003 com amostras do Mar Sargasso, a equipe do GOS sequenciou cerca de 1 gigabase (GB) de DNA exclusivo com sequenciamento Sanger e descobriu mais de um milhão de novos genes. Muitos outros foram descobertos e anotados durante e após a principal expedição do GOS.

Outros estudos utilizaram técnicas de metagenômica para investigar as complexas comunidades microbianas do intestino delgado humano (para melhor compreender a saúde humana), do leito de um sistema de drenagem ácido-mina (investigando novas abordagens para a remediação ambiental) e de uma variedade de esponjas (procurando potenciais novos medicamentos). Uma revisão do campo em 2011 pela Gilbert & Dupont estimou que havia cerca de 45 importantes estudos metagenômicos marinhos desde meados dos anos noventa.

Apesar dos avanços no sequenciamento, ainda é possível sequenciar apenas uma pequena fração do DNA que pode ser isolado de uma determinada comunidade, portanto os estudos metagenômicos são tipicamente projetados para seqüenciar seletivamente a fração mais informativa de DNA da amostra. Os dois projetos são chamados de inquéritos ambientais de um único gene e estudos aleatórios de espingardas. Para citar essa recente revisão sobre a metagenômica marinha,

“[Levantamentos ambientais de um único gene] podem ser vistos como um estudo metagenômico direcionado e focado. Alvos únicos são amplificados usando PCR e, em seguida, os produtos são seqüenciados, fornecendo uma análise da gama de diferentes ortólogos ... para esse gene dentro de uma determinada comunidade.

A metagenômica aleatória de espingarda é um estudo no qual o DNA total foi isolado de uma amostra então sequenciada, resultando em um perfil de todos os genes dentro da comunidade. A cobertura da comunidade de ambas as abordagens é inteiramente dependente da profundidade do sequenciamento, ou seja, quantos fragmentos de genes são obtidos durante o sequenciamento ”.

Então, que abordagem vamos tomar? Ainda não temos certeza. Ainda estamos pesquisando os protocolos e custos típicos (bem como a legalidade) de ambos os tipos de estudos. Você pode conferir nossa coleção de literatura sobre mendeley e sugerir artigos que deveríamos ler. (Para introduções de acesso aberto à metagenômica, confira este artigo, este documento e esta revisão).

Algumas idéias: Poderíamos projetar uma pesquisa de um único gene para procurar novas proteínas fluorescentes? Não tenho ideia se existem sequências conservadas entre as famílias de proteínas fluorescentes conhecidas que poderiam ser alvo de primers degenerados, mas se isso for possível, então este poderia ser um pequeno estudo muito legal - talvez nós encontrássemos uma nova proteína fluorescente!

No mínimo, podemos fazer “metagenômica clássica” e estimar a diversidade microbiana e a composição populacional de várias amostras com abordagens de DNA-barcoding. Este seria outro estudo de um único gene que analisa as seqüências de DNA ribossômico de 16s e talvez um ou dois genes metabólicos bem conhecidos.

Além disso, podemos observar como a diversidade microbiana muda junto com um parâmetro ambiental específico, como pH, temperatura, profundidade, ferro dissolvido, nitratos, oxigênio ou proximidade de outros organismos. Vamos medir e registrar cada um deles com cada amostra coletada, junto com coordenadas de GPS e fotografias.

De qualquer forma, vamos tentar fazer alguma metagnômica básica. Voltarei depois de detalhar os métodos específicos que usaremos - mas, essencialmente, coletaremos várias amostras de comunidades microbianas marinhas, salvaremos seu DNA para análises metagenômicas, tiraremos algumas imagens microscópicas das amostras e tentativa de medir algumas das condições ambientais de cada local de amostragem.

Eu estou fora para acertar os livros e a loja de ferragens.

Referências

Gilbert, J. a. & Dupont, C. L. (2011). Metagenômica Microbiana: Além do Genoma. Revisão Anual da Ciência Marinha, 3 (1), 347-371. doi: 10.1146 / annurev-marine-120709-142811

Kennedy, J., Flemer, B., Jackson, S.a, Lejon, D.P. H., Morrissey, J.P., O'Gara, F., & Dobson, A.W. (2010). Metagenômica marinha: novas ferramentas para o estudo e exploração do metabolismo microbiano marinho. Drogas marinhas, 8 (3), 608-28. doi: 10.3390 / md8030608

Homens, A., Forrest, S., & Siemering, K. (2011). Metagenômica e além: novas caixas de ferramentas para a sistemática microbiana. Microbiology Australia, 32, 86-89. Obtido em http://microbiology.publish.csiro.au/view/journals/dsp_journal_file.cfm?file_id=MA11086.pdf

Zarraonaindia, I., Smith, D. P. e Gilbert, J. a. (2013). Além do genoma: análise em nível comunitário do mundo microbiano. Biology & philosophy, 28 (2), 261-282. doi: 10.1007 / s10539-012-9357-8

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