1 -METAGENOMICS :Nieuwe uitdaging voor Life Sciences en Energie. Bart Sattler,31-10-2007 /Samenvatting. www.twanetwerk.nl
Hoewel voor ons onzichtbaar,vormen micro-organismen,ofwel microben,een essentieel onderdeel van het leven op aarde.Het zijn microscopische kleine organismen (bacteriën,archaea,eukaryoten en virussen) en ze leven vrijwel overal waar water is.Microben spelen een onmisbare rol in fotosynthese en in het in stand houden van de voedselketen op onze planeet.Maar ook op kleine schaal,in en op ons menselijk lichaam, vervullen zij een aantal essentiële functies.De miljarden microben in onze darmen zijn essentieel voor onze spijsvertering,het afbreken van giftige stoffen en de afweer tegen ziekteverwekkers.Microben kunnen ook milieu verontreinigingen opruimen,en liggen ten grondslag aan vele technieken voor bodemreiniging,bijvoorbeeld in geval van olie- en chemische verontreinigingen.Al deze processen vinden plaats dankzij een complex samenspel van microbiologische gemeenschappen,ofwel ecosystemen.Het genetisch onderzoeken van zulke systemen is het nieuwe vakgebied metagenomics.In het vakgebied metagenomics wordt het DNA van complete microbiologische gemeenschappen in kaart gebracht.Sommige van deze gemeenschappen,zoals die in de bodem,bestaan uit duizenden onderling afhankelijke soorten microben.Hoewel het genoom van een microob in omvang ongeveer één tienduizendste is van het menselijk genoom,is het analyseren van de DNA-fragmenten die het metagenoom uitmaken een gigantische klus,omdat er zoveel verschillende soorten microben (en dus genen) aanwezig zijn in de meeste populaties.
MICRO-ORGANISMEN VOOR MENSELIJK NUT.
Naast de onmisbare rol die microben in onze biosfeer spelen,worden zij reeds op grote schaal toegepast in biokatalytische processen.In hun evolutie hebben microben talloze overlevingsstrategieën ontwikkeld,en hun genoom bevat dan ook de genetische instructies voor talloze biochemische transformaties.Zo worden hun biokatalytische eigenschappen gebruikt in fermentatieprocessen (gisten) ,in de procuctie van biobrandstoffen, voedingingrediënten,medicijnen,antibiotica en de verbetering van de bodemkwaliteit. In het conventionele genoomonderzoek aan micro-organismen wordt alleen de DNA-volgorde van een enkele microbe onderzocht.Dit doet men door van deze microbe een zuivere cultuur te maken,van deze zuivere stam het DNA te onttrekken en vervolgens met sequencers een analyse te maken van het genoom van de microbe.Hieruit kan dan de functie van deze ene microbe worden onderzocht.Dit is een tijdrovend proces,zeker met de sequencers die tot voor kort in gebruik waren.Een groot deel van de microben kan zelfs niet in cultuur worden gebracht.Volgens schattingen hebben wij tot dusverre minder dan 1 procent van alle micro-organismen beschreven,ofwel in cultuur gebracht en geanalyseerd.Omdat we slechts een heel klein gedeelte van alle microben kennen,neemt men aan dat we ook slechts een klein deel van alle mogelijke bio-katalytische eigenschappen van microben in kaart hebben gebracht.Het traditionele onderzoek richt zich bovendien op individuele (stammen van) microben in een laboratoriumcultuur.De kennis over de interactie tussen verschillende stammen microben in een ecosysteem is dan ook achtergebleven.Daarom is het rijk der micro-organismen,hun functies en hun voor de mens nuttige eigenschappen voor ons nog steeds grotendeels een terra incognita.
WAT HOUDT METAGENOMICS IN ?
In de wereld van metagenomics volgt men een meer holistische aanpak : men probeert het DNA van een complete gemeenschap van micro-organismen in één keer te onderzoeken.De gemeenschap wordt hierin beschouwd als een soort organisme met een enkel genoom en de genen worden geanalyseerd zonder rekening te houden met de vraag welke gen van welke specifieke microbesoort afkomstig is.Met behulp van de gereedschappen van metagenomics wordt een ecosysteem van microben bestudeerd in de natuurlijke setting, zonder dat het noodzakelijk is om eerst individuele microben te isoleren,in cultuur te brengen en te analyseren.Op basis van een enorme hoeveelheid ruwe gegevens wordt vervolgens getracht om onderliggende eigenschappen van de gemeenschap als geheel in kaart te brengen.De term metagenomics slaat dus zowel op een onderzoeksveld als op verschillende onderzoekstechnieken die worden gebruikt om onderzoek aan ecosystemen van microben te verrichten.Recentelijk zijn de technieken en methoden beschikbaar gekomen die wetenschappers in staat stellen om gemeenschappen van microben te onderzoeken en zo te begrijpen hoe zij werken.Innovaties in de life sciences <------>,bioinformatica <---> en systeembiologie <----> hebben bijgedragen aan de opkomst van dit wetenschapsveld.<---->Een typisch metagenomics-onderzoeksproject begint met het verwijderen van het DNA uit alle microben die in een te onderzoeken ecosysteem leven.Deze DNA fragmenten kunnen dan worden ingebracht in het plasmide (extrachromosomaal DNA) van laboratoriumbacteriën om te worden opgekweekt,zodat kopieën verkregen worden van de genomen van alle bacteriën in het oorspronkelijke ecosysteem.Zo wordt een levende library van het DNA van alle bacteriën in het ecosysteem gemaakt.<---->De library kan vervolgens worden gescreend op basis van een analyse van de volgorde van de baseparen (sequencing) ,of op basis van een functionele analyse van de producten van de genexpressie (eiwitten).<---->
TOEPASSINGEN IN DE LIFE SCIENCES.
Zonder twijfel zullen gemeenschappen van micro-organismen in het menselijk lichaam een belangrijk deel van het metagenomics-onderzoek bepalen.Er is inmiddels al veel kennis gegenereerd over de complexe samenhang tussen het menselijk genotype en fenotype,en de hiermee geassocieerde samenstelling van de microbengemeenschap (het 'microbioom').Het menselijk lichaam bevat ongeveer tien keer zoveel cellen van micro-organismen als menselijke cellen.Micro-organismen vormen bijvoorbeeld een integraal onderdeel van onze spijsvertering en ons afweersysteem.Ook spelen zij een rol bij hartziekten,diabetes,huidziekten,zweren en ontstekingen.Door de poputatie microben in en op mensen van verschillende leeftijd,oorsprong, gezondheid met elkaar te vergelijken,hopen onderzoekers uit te vinden hoe microben het verloop van ziekten beïnvloeden (positief danwel negatief),en hoe zij kunnen worden gemanipuleerd om onze gezondheid te verbeteren.<---->Ook toepassingen van metagenomics op het gebied van energie- en materiaaltechnologie liggen voor de hand.Zo is momenteel bijvoorbeeld de 'heilige graal' van het onderzoek naar biobrandstoffen het vinden van micro-organismen die op effectieve en efficiënte wijze cellulose weten om te zetten in suikers die vervolgens via fermentatieprocessen en eventuele chemische procesvoering kunnen worden omgezet in biobrandstoffen en biomaterialen.<---->Onlangs heeft het Joint Genome Institute (JGI) een metagenomische analyse uitgevoerd naar microben die leven in het spijsverteringssystemen van termieten.Deze zijn immers zeer effectief in het omzetten van cellulose uit hout in suikers.In dit onderzoek is een aantal nieuwe cellulases ontdekt,enzymen die in staat zijn om cellulose af te breken.Momenteel wordt door JGI gekeken naar de microben in het spijsverteringsstelsel van andere insecten die hout verteren.JGI streeft naar een 'onderdelenlijst' waaruit synthetisch biologen kunnen putten om een energie-producerende organisme te maken.(Zie verder punt 3-Craig Venter en Global Ocean Sampling Expedition).
Oorsprong van de term. De term "metagenomics" werd voor de eerste keer gebruikt door Jo Handelsman (Mrs)(University of Wisconsin,Department of Plant Pathology,Madison,USA) in 1998.Er zijn sindsdien talrijke publicaties over dit onderwerp te vinden in de literatuur en in de meeste gevallen komen de namen Jo Handelsman en medewerkers voor,zoals:
-"Metagenomics : Application of genomics to uncultured microorganisms." Jo Handelsman,Microbiology and molecular biology reviews,Dec.2004,661-685.(Basis artikel).
-"Biotechnological prospects from metagenomics."P.D.Schloss abd Jo Handelsman,Current opinions in biotechnology,2003,14,303-310. www.current-opinion.com
-"Isolation of antibiotics Turbomycin A and B from a metagenomic library of soil microbial DNA." Applied and Environmental microbiology,Sep.2002,4301-4306. Jo Handelsman et al.
-"How to find antibiotics.",Jo Handelsman,The scientist,10 Oct.2005. http://www.the-scientist.com
-"Metagenomics : The science of biological diversity." K.J.Shelswell,Aug.2004 The science create quarterly. http://www.scq.ubc.ca/?p=509
-"Metagenomics and industrial applications." P.Lorenz,J.Eck,Nature Publishing Group,2005 www.nature .com/reviews/micro
2-"UNDERSTANDING OUR MICROBIAL PLANET : THE NEW SCIENCE OF METAGENOMICS." National Academies (Science,Engineering and Medicine) http://www.nap.edu http://dels.nas.edu/metagenomics
De belangstelling voor de mogelijkheden geboden door "metagenomics" is zo groot dat de National Academies in de USA een speciale publicatie over dit onderwerp uitgegeven heeft.In dit werk wordt een verkorte versie van de inhoud en van de mogelijkheden van metagenomics samengevat. Enkele citaten:
-"Microbial communities support all life on Earth.Metagenomics is a revolutionary new approach to understanding the characteristics of our microbial world. A new tool for scientific exploration : Medicine - Life sciences-Earth sciences. Helping address the challenges of today's world." Alternative energy-Environmental remediation- Biotechnology-Agriculture-Biodefense and microbial forensics.
-"Humans are inextricably linked with the microbial communities that surround and support us.Many basic bodily processes depend on the trillions of microbes that colonize the human body beginning shortly after birth.The vast majority of the microbes that live in our bodies are not harmful-many,in fact,provide such essential functions as helping us digest food,break down toxins and fight off other diseases-causing microbes."
-"What is metagenomics ?" Metagenomics is an emerging field in which the power of genomic analysis (the analysis of all the DNA in an organism)is applied to entire communities of microbes,bypassing the need to isolate and culture individual microbial species.In its approach and methods,metagenomics transcends individual genes and genomes,enabling scientists to study all of the genomes in a community as a whole."
-"How does metagenomics work ?" Currently ,many metagenomics studies take the same first step : Researchers retrieve a sample from a particular environment (such as oil,seawater or the human mouth) and do a mass extraction of the DNA from all the microbes in the sample.<---->Typically ,once the DNA is extracted from a sample,laboratory bacteria are induced to take up and replicate the DNA,thus creating "a library" that contains pieces of the genomes of all the microbes in the sample.<----> This library consists of millions of random fragments of DNA from all the microbes in the sample community."
-"What scientists do with a library of genomes,or "metagenomes" depends on what they want to find out.
SEQUENCE-BASED METAGENOMICS.
....Focus on finding the entire genomic sequence found in a sample-the pattern of the four different nucleotide bases in the DNA strand.
FUNCTION-BASED METAGENOMICS.
...Screen for various functions,such as vitamins or antibiotic production.New antibiotics have already been discovered using this approach.Extraction and identification of novel proteins and metabolites from a microbial community is possible."
-"Applications :What metagenomics can do ?"
*The world within : learning from the microbial inhabitants of the human body.Study of the "human microbiome" can lead to new tools and guidelines in nutrition ,drug discovery and preventive medicine.
**Global impacts : The role of microbes in maintaining atmospheric balance .Photosynthetic bacteria remove CO2- which is a major greenhouse gas-from the atmosphere.
***Bioenergy : Harnessing microbial power Several types of microorganisms must work in concert to transform the cellulose from agricultural wastes into sugars.The sugars are fermented-also by microbes-to produce ethanol.Still other microbes produce a variety of potential energy sources including hydrogen,methane,butanol and even electric current.
****Smart farming : How microbes help our crops. In "suppressive soil" plants stay healthy even when disease causing organisms are present in high density.The activities of suppressive soil complex microbial communities are enormous beneficial to agriculture.Metagenomics offers a unique opportunity to explore how microbial communities interact with crops and may eventually lead to ways to harness the power of soil microbial communities to produce healthier and more rebust crops.
*****Cleaning up : Remediation of environmental contamination. Some microbes consume methanogen gas- a major greenhouse gas- which sweeps from landfills and swamps.Other microbes degrade the waste in sewage water at water treatment facilities.Communities of marine bacteria,similar to the soil microbes that degrade gasoline leaks on land,can help clean up oil spills in the Earth's oceans.
3- J.CRAIG VENTER - DE PIONIER.
www.answers.com/topic/craig-venter
J.Craig Venter werd geboren in Salt Lake City (Utah,USA) op 14.10.1946.Hij is een bioloog en zakenman.Niets liet vermoeden dat hij op het gebied van de biologie wereldberoemd zou worden.Uit zijn eerste levensjaren was dit allerminst evident tot hij een PH.D titel in farmacologie en fysiologie verwierf in 1975 aan de universiteit van San Diego (California).In 1984 begon hij bij het National Institute of Health (NIH) en als voorzitter van CELERA GENOMICS begon hij te werken aan het Human Genome Project met een door hem ontwikkelde technologie : de "Shotgun sequencing" (sequencing =bepaling van de volgorde van de nucleïnebasen in DNA).Hij werd de mededinger van Francis Collins van het NIH .Beiden werkten met verschillende methoden maar de oplossing van het Human Genome werd aan beide onderzoekers toegewezen door president Bill Clinton in 2000.Hij verliet Celera Genomics in 2002.In 1992 verwierf hij "The Institute for Genomic Research (TIGR)".Hij is nu voorzitter van de "J.Craig Venter Institute" en stichtte in 2005 "Synthetic Genomics".Hij is nu actief,met zijn schip de "Sorcerer II" in de "Global Ocean Sampling Expedition" om de genetische diversiteit van de microbiële gemeenschappen uit de zee in kaart te brengen.Dit werk is nu nog aan de gang.
In de genetica is de "Shotgun sequencing" (ook gekend als "shotgun cloning") een methode om de volgorde van de basenparen in lange DNA fragmenten te bepalen.De klassieke methode,afkomstig van de werken van Fred Sanger (Cambridge,UK) kan enkel dienen voor tamelijk korte fragmenten (100 tot 1000 basenparen).Langere sequenties moeten in kleinere fragmenten verdeeld worden en daarna terug aaneen verbonden worden tot volledige sequenties.De "Shotgun Sequencing" vereist aanzienlijke computer kracht en het overwinnen van een aantal inherente moeilijkheden..Deze methode heeft nochtans haar nut bewezen in de studie van het "Human Genome". Een citaat uit deze bron illustreert deze procedure:
-"Venter developed a method of deciphering genomes known as whole-genome "shotgun sequencing".The genome to be analyzed is broken into random,overlapping fragments of DNA that are a few thousands basepairs in length.Each fragment is sequenced,or read.Then the fragments are reassembled by a computer into their correct order.Although there were initially many sceptics, Venter's conviction that shotguning would be faster and just as accurate for much genomes deciphering proved to be true,and the technique is now widely used.In 1995 Venter and its team used the technique to obtain the first complete genome (DNA sequence) of an organism other than a virus,that of the bacterium Haemophilus Influenzae.In 2000,in collaboration with researchers at the university of California at Berkeley,het published almost the entire genome of the fruit fly Drosophila Melanogaster.In 2001 his team and a competing group published rough drafts of the Human Genome.<----->
September 2007 : First complete ( 6 billion letters) genome of an individual human.-Venter's own DNA sequence !
-OCEANIC METAGENOMICS COLLECTION. "SORCERER II : The search for microbial diversity roils the waters."
Craig Venter is not short of ambition .With the Human Genome fresh off the sequencing machines,he sets his sights on a project of even grander scale : to describe the immense wealth of genetic information living in the world's oceans.This voyage into biologically uncharted waters was inspired in part by the voyage of the Beagle.Venter,it seems,would like to be remenbered as the Charles Darwin of the 21st century.<----> The voyage has already turned up between 5 and 6 million genes.Most of the genes have never been seen before.<---->Many of the genes encode proteins that fall outside standard classification schemes.This project is revealing some of the biggest discoveries about the environment (dixit Craig Venter !)
-"THE SORCERER II : GLOBAL OCEAN SAMPLING (GOS) EXPEDITION. EXPANDING THE UNIVERSE OF PROTEIN FAMILIES."
PLoS Biology, March 2007,Vol.5,n°3,0432. www.plosbiology.org
SUMMARY.
The rapidly emerging field of metagenomics seeks to examine the genomic content of communities of organisms to understand their roles and interactions in an ecosystem.Given the wide-ranging roles of microbes play in many ecosystems,metagenomics studies of microbial communities will reveal insights into protein families and their evolution.Because most microbes will not grow in the laboratiry using current cultivation techniques,scientists have turned to cultivation -independent techniques to study microbial diversity.One such technique -shotgun sequencing - allows random sampling of DNA sequences to examine the genomic material present in a microbial community.We used shotgun sequencing to examine microbial communities in water samples collected by the Sorcerer II Global Ocean Sampling Expedition (GOS).Our analysis predicted more than 6 million proteins in the GOS data-nearly twice the number of proteins present in current databases.These predictions add tremendous diversity to known protein families and cover nearly all known prokaryotic protein families;Some of the predicted proteins had no similarity to any currently known proteins and therefore represent new families.A higher than expected fraction of these novel families is predicted to be of viral origin.We also found that several protein domains that were previously thought to be kingdom specific have GOS examples in other kingdoms.Our analysis open the door for a multitude of follow-up protein family analyses and indicates that we are a long way from sampling all the protein families that exist in nature.
