Anwendungen der Metagenomik in der Biotechnologie und Gesundheitsversorgung

Mikroben sind fast überall vorhanden. Sie spielen eine entscheidende Rolle im Kohlenstoffkreislauf, setzen wichtige Verbindungen frei und können mit Infektionskrankheiten in Verbindung stehen. Metagenomik Die kulturunabhängige genomische Forschung von mikrobiellen Gemeinschaften. Metagenomik stellt ein leistungsfähiges Werkzeug dar, um Prokaryoten und Viren in der Umwelt durch die Analyse ihrer DNA, die direkt aus Umweltproben gewonnen wird, zu untersuchen. Diese Technologie betrachtet die DNA von Mikroben in einer Population als Ganzes. Sie kann nicht nur die vorhandenen mikrobiellen Arten identifizieren, sondern auch Einblicke in die funktionalen Rollen und metabolischen Aktivitäten der Mikroorganismen geben. Die Kombination dieser Methode mit funktionsbasierten Aktivitäten ist eine leistungsstarke Technik zur Entdeckung neuer funktioneller Gene aus ungezüchteten Mikroben.

Abbildung 3. Funktionale metagenomische Strategien zur Identifizierung neuer Biokatalysatoren und Bioaktive aus Umweltsch samples (Coughlan) u. a.. 2015).

Biotechnologische Anwendungen

Derzeit gibt es einen globalen politischen Antrieb, weiße Biotechnologie als ein zentrales Merkmal der modernen industrialisierten Gesellschaft zu fördern. Die Metagenomik hat das Potenzial, die industrielle Produktion erheblich zu beeinflussen.

Abbildung 1. Industrielle Enzyme – vom Metagenom zu Anwendungen und Prozessen (Lorenz 2005).

Bioaktive VerbindungenEinzigartige bioaktive Verbindungen wurden durch Metagenomik-Studien identifiziert, darunter Terragines, Violacein und Indirubin. Medikamente, die aus marinen Mikroorganismen stammen, wie Cytarabin (gegen Krebs), Cephalosporine (antimikrobiell) und Vidarabin (gegen Viren), haben sich auf dem Pharmamarkt etabliert.

AntibiotikaNeue Antibiotika und Enzyme gehören zu den frühen Entdeckungen der Metagenomik. Die Entdeckung von Streptomycin, Turbomycin und anderen Antibiotika entstand aus grundlegenden Studien des Bodenmikrobioms. Funktionale Metagenomik dient dazu, neuartige Antibiotika oder neuartige Antibiotikaresistenzgene zu finden, während beschreibende Metagenomik dazu dient, Veränderungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms zu analysieren und das Vorhandensein sowie die Häufigkeit bekannter Antibiotikaresistenzgene in verschiedenen Umgebungen zu verfolgen.

EnzymeNeue genetische Informationen über industrielle Enzyme wie Lipasen, Proteasen, Lyasen, Amylasen und Nitrilasen wurden durch metagenomische Ansätze gewonnen. Enzyme haben eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Herstellung von hochaktiven Arzneimitteln und Wirkstoffen (wie hochleistungsfähigen Waschmitteln). Die Vielseitigkeit industrieller Enzyme ermöglicht ihren Einsatz in Prozessen zur Abbau von natürlichen Polymeren wie Cellulose, Proteinen und Stärke sowie zur Synthese asymmetrischer Chemikalien.

Abbildung 2. Multi-Parameter-Fußabdruckanalyse. Diese Abbildung beschreibt das Konzept des idealen Biokatalysators (Lorenz 2005).

Gesundheitsversorgung

InfektionskrankheitDie Metagenomik wurde nun angewendet, um einen unbekannten Erreger bei Krankheitsausbrüchen zu identifizieren. Shotgun-Metagenomik kann auch bei der Entdeckung und Erkennung von Krankheitserregern in klinischen Proben verwendet werden. Bei RNA-Viren muss RNA, die aus einer Probe isoliert wurde, normalerweise zuerst in cDNA umgewandelt werden. Neben bakteriellen Krankheitserregern und Viren wurde Metagenomik bisher nur wenig zur Erkennung parasitärer Infektionen eingesetzt. Zum Beispiel wurden Plasmodium- und Toxoplasma-Sequenzen im Metagenom ägyptischer Mumien gefunden (Khairat). u. a.Potenzielle Anwendungen der Metagenomik in der Parasitologie umfassen die Gewinnung von genomisch-epidemiologischen Daten und die Bestimmung des Einflusses von Parasiten auf die mikrobielle Ökologie im Darm.

Darmgesundheit. 16S/18S/ITS Amplicon-Sequenzierung ist ein leistungsstarkes und erschwingliches Werkzeug zur Analyse der klinischen Mikrobiota. Es kann verwendet werden, um die mikrobielle Artenvielfalt im Darm und deren Häufigkeit zu bestimmen und ermöglicht die Überwachung der menschlichen Gesundheit und des Wohlbefindens. Metagenomik wirft Licht auf die Entwicklung von Probiotika. Die Überwachung menschlich assoziierter bakterieller Gemeinschaften ermöglicht es, Wege zu finden, um diese zu modulieren und so die menschliche Gesundheit zu optimieren. Personalisierte Metagenomik ist auf dem Markt und kann erworben werden. Es ist immer besser, vorzubeugen als zu behandeln. Und persönliche Metagenomik, in Verbindung mit persönlicher Genomik und Epigenomik, könnte die Grundlage der Gesundheitsversorgung von morgen sein.

Wildtierschutz

Mikrobielle Ökologie und Next-Generation-Sequenzierung bieten wertvolle Perspektiven und Werkzeuge zur Untersuchung und Überwachung der Gesundheit von Wildtieren. Die mikrobiellen Gemeinschaften, die Tiere und Pflanzen bewohnen, beeinflussen die Gesundheit, Ernährung, Physiologie und das Immunsystem der Wirte erheblich. DNA-Sequenzierungstechnologien ermöglichen es uns, Mikrobiome zwischen und innerhalb von Wirten zu identifizieren. Mikrobielle Gemeinschaften sind empfindlich gegenüber Veränderungen in der externen Umwelt, und die mikrobielle Vielfalt korreliert mit der Habitatqualität. Daher birgt die Berücksichtigung der mikrobiellen Wirts- und biogeografischen Variation großes Potenzial für Bewertungen von Waldkorridoren und Wiederansiedlungsbemühungen. Darüber hinaus stellen mikrobielle Krankheitserreger eine große Bedrohung für die Gesundheit von Wildtieren dar.

Referenzen:

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