20 de Febrero: The importance of metagenomic surveys to microbial ecology: or why Darwin would have been a metagenomic scientist.
Soil metagenomics (Photo credit: Argonne National Laboratory)
Gilbert, J. a, O’Dor, R., King, N., & Vogel, T. M. (2011). The importance of metagenomic surveys to microbial ecology: or why Darwin would have been a metagenomic scientist. Microbial informatics and experimentation, 1(1), 5. doi:10.1186/2042-5783-1-5
ABSTRACT: Scientific discovery is incremental. The Merriam-Webster definition of ‘Scientific Method’ is «principles and procedures for the systematic pursuit of knowledge involving the recognition and formulation of a problem, the collection of data through observation and experiment, and the formulation and testing of hypotheses». Scientists are taught to be excellent observers, as observations create questions, which in turn generate hypotheses. After centuries of science we tend to assume that we have enough observations to drive science, and enable the small steps and giant leaps which lead to theories and subsequent testable hypotheses. One excellent example of this is Charles Darwin’s Voyage of the Beagle, which was essentially an opportunistic survey of biodiversity. Today, obtaining funding for even small-scale surveys of life on Earth is difficult; but few argue the importance of the theory that was generated by Darwin from his observations made during this epic journey. However, these observations, even combined with the parallel work of Alfred Russell Wallace at around the same time have still not generated an indisputable ‘law of biology’. The fact that evolution remains a ‘theory’, at least to the general public, suggests that surveys for new data need to be taken to a new level.
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Las observaciones realizadas ayudan en la generación de nuevo conocimiento y abren las puertas a nuevas preguntas y a la formulación de nuevas hipótesis (incluso si la información básica no es del todo la mejor, aun así es una contribución aun mejor entendimiento). Las aproximaciones que proporcionan estudios como el Censo de vida marina hace darnos cuenta de la gran diversidad de vida que hay en el planeta, aunque si nos ponemos a pensar en términos de microbiota y su diversidad las sorpresas no terminarían. En la actualidad se cuentan con muchas técnicas que permiten hacer una gran diversidad de análisis para probar las teorías e hipótesis que se plantean a partir de las observaciones ya que es importante balancear los estudios basados en la observación junto con experimentos diseñados de forma minuciosa.
La metagenomica es una de estas metodologías y permite el estudio del DNA obtenido directamente del medio ambiente en estudio, por lo que no se omite ningún miembro de la comunidad (por ej., de la comunidad bacteriana) ni se toma de forma aislada a alguno de los miembros de la comunidad. Así es que se puede caracterizar taxonómica y funcionalmente a la o las comunidades presentes disminuyendo los sesgos que se tienen en las aproximaciones clásicas de microbiología. De manera que de la observación a gran escala junto con información más puntual y la experimentación, en conjunto, supone una mejor comprensión de la relación que guarda la comunidad con otras comunidades y con su medio ambiente.
Igualmente, vamos comprendiendo también que las redes y relaciones entre comunidades y ambiente son más complejas de lo que se puede suponer si se aíslan los sistemas en el laboratorio. Y aunque esto pareciera una desventaja, la información proporcionada bajo estas condiciones también contribuye a responder preguntas. Así, con cada nuevo descubrimiento y nuevas observaciones, van surgiendo nuevas preguntas que se desea responder y con ello se sigue impulsado el desarrollo de la ecología microbiana como resultado del deseo de comprender mejor las relaciones evolutivas de las comunidades con su entorno. Y aún hay mucho camino por andar.
En esta breve carta, tal como su título lo indica, los autores nos hablan de la importancia, o mejor dicho de las posibilidades que se nos presentan al trabajar con datos metagenómicos. Este trabajo comienza citando el trabajo del Census of Marine Life, proyecto que se centró en llenar aquellos huecos de conocimiento sobre la diversidad a nivel marino, algo similar a lo que se buscó en el International Census of Marine Microbes. En estos dos trabajos podemos replantear las preguntas que los impulsó: ¿Cuánta diversidad hay? y ¿Por qué existe esa diversidad?.
Hoy en día una de las formas para contestar estas preguntas es a través de la metagenómica pues debido a la gran cantidad de información que nos arrojan podemos estudiar no solo a los macro organismos, sino también a los micro organismos sin importar si son o no cultivables, siendo ésta una de sus principales ventajas, pues en los estudio tradicionales de laboratorio nos encontramos restringidos por el cultivo, la manipulación, etc.
Otra distinción al emplear la metagenómica, es que contrario al método tradicional donde a partir de una hipótesis comenzamos a trabajar, los autores mencionan que con esta aproximación podemos generar las teorías a partir de los datos obtenidos.
En general este trabajo me agradó pues través de algunos proyectos que se han basado en la metagenómica nos intentan mostrar una variedad de usos para esta aproximación, sin embargo el párrafo final donde mencionan que gracias a este tipo de trabajos la teoría de “todo está en todas partes pero el ambiente selecciona” se encuentra cada vez más cerca de ser una verdad, me pareció un poco inadecuado, pues para poder afirmar esto se necesitarían realizar estudios a largo plazo para asegurarnos de que los organismos que estamos encontrado se encuentran presentes por ser éste su hábitat y no porque se encontraban por azar en ese momento particular.
El artículo hace una invitación para continuar con los estudios exploratorios sobre la biodiversidad del planeta y la importancia de que sean considerados también para apoyos económicos ya que hace la analogía con lo que Darwin significó para la biología y la teoría evolutiva a partir de las observaciones y datos que obtuvo en sus viajes. La semejanza es mayor considerando lo poco que sabemos sobre la biodiversidad microbiana en el planeta y con la metagenómica estamos en una condición de poder explorar lo que de otra forma es totalmente inaccesible, un cúmulo de información que podemos extraer de distintos ambientes y no necesariamente deben ser proyectos experimentales o con hipótesis de trabajo bien definidas, vale también el hecho de empezar a conocer mejor lo mucho que se desconoce y tener un conjunto de observaciones básicas para poder dar el paso de plantear hipótesis de trabajo más concretas y novedosas para avanzar en el conocimiento. Y como dicen los autores quizás habrá un Darwin entre los nuevos científicos dedicados a la ecología microbiana que se encuentra en una fase de grandes observaciones de lo que era y es actualmente aún un enigma. Sólo por mencionar un ejemplo claro de lo mucho que nos hace falta conocer están los virus que representan 10 veces más diversidad que las bacterias. Entre los proyectos de exploración se mencionan GOS, TARA y el EMP (proyecto del microbioma de la tierra).
Control de Lectura.
Existe una hipótesis muy interesante: hay varios gaps en nuestro conocimiento y entendimiento de la biología de los océanos y por lo tanto de su subsecuente funcionamiento. A partir de aceptar este hecho surgió el ambicioso proyecto llamado “Census Marine Life”. La hipótesis ya fue validad con resultados y publicaciones, que s su vez han generado nuevas hipótesis.
Ahora bien, si a estos enormes descubrimientos sumamos la poderosa herramienta de la metagenómica (con la cual se aíslan DNA del ambiente y se usa para caracterizar la taxonomía y función de las comunidades biológicas), tenemos que en los últimos 30 años se ha teorizado e hipotetizado que toda la comunidad microbiana actúa como una red que proporciona una amplia variedad de servicios ecosistémicos a todos los macroorganismos del ecosistema.
De esta forma se han sumado enormes estudios de observación para el desarrollo de la ecología microbiana (por ejemplo “Global Ocean Survey”, TARA, “Earth Microbiome Project”).
Se trata de explorar las comunidades microbianas con un enfoque supra-ecosistémico, ya que se ha advertido que sabemos muy poco acerca del mundo microbiano y son estos organismo los que dirigen las procesos ecológicos en todas las escalas.
Entre muchas otras cosas, será interesante encontrar variables que permitan, por ejemplo, relacionar la biología con el ambiente. Hay evidencia, por ejemplo, de que “todo se encuentra en todos lados, pero el ambiente selecciona”. Sin duda alguna, los retos son amplios e importantísimos.
La microbiología a cambiado drásticamente en la última década, es un campo donde la metagenomica ha impactado he inspirado a muchos. Una herramienta heurística ya que nos permite hacer más preguntas a partir de un resultado.
En la era pre-genómica se estudiaba el 1% de la diversidad microbiana, por lo que la gran expedición del Global Ocean Suervey, el primer proyecto masivo que utilizo metagenomica (Nos permite conocer taxonomía y función) nos permitió darnos una idea de cuan diverso es el mundo microbiano y fundamentalmente genero nuevas hipótesis alrededor de diferentes áreas como la biogeografía. Proyectos como este dejan otro tipo de enseñanzas, ya que si bien resulto sorprendente, las hipótesis que se desprendieron no tuvieron tanto impacto, debió por ejemplo a la falta de buenos metadatos (Los datos de los datos) que en determinado momento permiten comparar o hacer inferencias solidas. Es decir esto te lleva al punto de partida de la ciencia, tener un buen diseño experimental te dará resultados solidos he interesantes de lo contario todo puede quedarse en el aire.
El Global Ocean Survey no ha sido el único esfuerzo por conocer la diversidad microbiana, existen otros grandes proyectos como conocer la diversidad del tracto digestivo humano, del suelo, o el proyecto Earth Microbial Project, aprendiendo de los otros y tomando en cuenta el contexto (metadatos).
La metagenomica es una herramienta poderosa, que por ejemplo en la actualidad sigue siendo la mejor forma de tener acceso a la diversidad que existe en grupos como los virus. Así que las hipótesis y nuevas teorías que se generen a partir de estas observaciones serán cruciales en el siguiente siglo y quien sabe, quizá como mencionan en el articulo la próxima teoría de la evolución salga de este campo.
Uno de los sondeos más importantes y uno de los más completos de los últimos años, el censo de la vida marina (Census of Marine Life), reveló la falta de información en lo que respecta al conocimiento de la biodiversidad del planeta y la ineludible necesidad de arreglarla. Este tipo de estudios apoyan la teoría de que la observación a gran escala (gran, gran escala) genera nuevas y numerosas hipótesis a ser probadas; y esta misma aproximación se ha aplicado a la vida microbiana, como quedó claro en la parte encargada de los microbios marinos del sondeo ya mencionado (International Census of Marine Microbes). Sabiendo esto, si Darwin estuviera vivo hoy, no dudaría en investigar el mundo de los microbios y la herramienta para hacerlo sería la metagenómica.
La información obtenida de análisis metagenómicos nos ha dejado plantear hipótesis acerca de la vida microbiana y su papel en la vida de los macroorganismos y sólo haciendo uso de la metagenómica se puede producir y analizar la cantidad de datos necesaria para probar dichas hipótesis. Los estudios de observación a gran escala actuales, no muy alejados de las observaciones de Darwin en su tiempo, han empujado el desarrollo de la ecología microbiana y uno de los más influyentes en este sentido ha sido el Global Ocean Survey, cuyos datos se han utilizado para generar conocimiento acerca del papel de las comunidades microbianas de los océanos y para plantear nuevos estudios metagenómicos (del tracto digestivo humano, del suelo, por mencionar ejemplos). Es importante resaltar que la información que se obtiene de estos estudios debe ser el resultado de un diseño experimental cuidadoso y estricto.
La cantidad de información desconocida acerca de los microbios pinta a los ecólogos microbianos un horizonte muy parecido al que vio Darwin. Existen muchas teorías fundamentales acerca de la vida microbiana que deben ser probadas y un buen comienzo es hacer buenos muestreos en ambientes no restringidos, además del análisis pertinente de los datos que se obtengan; y no parar ahí, hay diez veces más virus que microbios y ya familiarizados con la aproximación metagenómica no es descabellado pensar en un estudio integral de los virus.
Es claro que la ecología microbiana es una ciencia en ascenso que exije nuevos y mejores sondeos de los ecosistemas y plantea la necesidad de mejorar o implementar nuevas formas de procesar y analizar datos, lo que pone de manifiesto (si aún era necesario) la importancia de la metagenómica como una herramienta de investigación indispensable.
Este artículo consiste básicamente en una apología de los estudios a gran escala. Bajo el fundamento de que un conjunto voluminoso de datos pueden derivar en nuevas hipótesis que estimulen el desarrollo científico, los autores proponen un aumento en el presupuesto a investigaciones relativamente poco estructuradas cuyos objetivos sean primordialmente observacionales. Específicamente, señalan que los estudios metagenómicos son particularmente adecuados para este fin. Como ejemplo señalan al Global Ocean Survey, un proyecto másivo patrocinado por Craig Venter que ha generado una gran cantidad de información y ha influido profundamente a la ecología microbiana.
Si bien esta propuesta es atractiva, al final todo se reduce a los intereses de los organismos financiadores. ¿Cuál es una mejor una inversión: un ambicioso proyecto observacional o varios trabajos experimentales con hipótesis concretas y un diseño más detallado?
La Ciencia es una actividad que el ser humano a utilizado para la generación de conocimiento, tal como lo refleja la etimología de dicha palabra. Dicha actividad se ha vuelto un estilo de vida para una pequeña fracción de la humanidad, la cual la realiza de manera metodológica para que alcance los estándares de universalidad para su aplicación. A lo largo de la historia se han observado los avances que se han generado para resolver una gran cantidad de interrogantes que han surgido producto de la curiosidad. Muchas de estas preguntas se plantearon desde tiempos muy antiguos, y gracias a los avances científicos se han podido resolver o tener aproximaciones importantes para contestarlas; sin embargo, algunas no han podido ser respondidas completamente, simplemente por la complejidad que representan. A pesar de esto, muchos de los primeros científicos les hubiera gustado vivir en esta época, en la cual tendrían muchas herramientas con las que no contaban para resolver una gran variedad de sus inquietudes. Tal y como le sucedió a Darwin, el cual planteo una de las teorías más importantes para la Ciencia a partir de su expedición realizada en el Beagle.
Actualmente, diferentes grupos de trabajo se han unido para organizar expediciones a gran escala y obtener una cantidad impresionante de información sobre la diversidad y funcionalidad de la diversidad microbiana en diferentes ecosistemas. La herramienta que ha utilizado para tratar de contestar sus preguntas y falsear sus hipótesis es la Metagenómica, que consiste en la extracción de ADN ambiental para la caracterización taxonómica y funcional de las comunidades biológicas en los ecosistemas. En el caso de los microorganismos, esta herramienta ha permitido entender el funcionamiento de sus comunidades y los servicios que proporcionan a los macroorganismos y al ecosistema. Así también, ha desarrollado alcances importantes sobre su distribución. Toda esta información es de vital importancia para comprobar una gran cantidad de hipótesis que han generado mucha polémica en su momento y que han tratado de minimizar su probable aportación y generar nuevas ideas que expliquen los procesos de otra manera. Tal y como ocurrió con la hipótesis propuesta por Bass-Beckig hace varias décadas.
«En el artículo, se menciona principalmente la importancia del estudio de los metagenomas, esto como una herramienta novedosa para obtener genomas de la mayoría de los organismos que no se tienen en cultivos y que se encuentran en diversos nichos, de tal manera que se parte de una perspectiva en la cual no se sabe que se obtendrá, no obstante se pueden hacer hipótesis a partir de los genes que se encuentran, las vías de regulación, de metabolismo, el origen o historias evolutivas de dichos organismos, lo que es más interesante es la nueva visión para hacer ciencia, mientras que en los tiempos de Darwin, la observación de los organismos era fundamental para plantear las hipotesis, los nuevos enfoques nos permiten ir por un camino totalmente contrario al aprendido, ahora partimos de lo que no conocemos para obtener datos, los que sean que se obtengan, que nos permitan generar nuevo conocimiento o nuevas hipótesis a partir de los datos obtenidos.»
The importance of metagenomic surveys to microbial ecology: or why Darwin would have
been a metagenomic scientist
Remarca la importancia de los avances en el estudio de las comunidades microbianas, en aportar conocimiento sobre la diversidad que existe dentro de cada ecosistema. El origen de cada estudio , es resultado de las meticulosas observaciones que tenemos en nuestro entorno, que más que generarnos respuestas, genera dudas que más adelante se convertirán en proyectos científicos que serán puesto a prueba con cada hipótesis que derive de ello.
CLM ha sido un estudio que ha proporcionado nuevas perspectivas con respecto al mundo microbiano, abriendo emocionantes preguntas con respecto ¿Por qué tanta diversidad?, ¿cuál es la función de esa diversidad dentro del ecosistema? Que no solo está formulada por la comunidad científica, sino del público en general que se sorprende de un universo que se mantiene oculto de la vista común pero parece ser demasiado complejo a como cada uno lo llegaba a imaginar.
La meta genómica permite aislar ese DNA, del ambiente y usarlo para caracterizar la taxonomía y función de la comunidad biológica en el ecosistema. Si bien el proyecto GOS (Global Ocean Survey) un transepto metagenomico marino, ha sido criticado por su carencia de diseños experimentales bien establecidos y por la falta de metadatos. Sin embargo, a pesar de las debilidades que pueda presentar un trabajo, contribuyen grandemente al entendimiento de este nuevo campo, y los proyectos en marcha tengan bases para la nueva hipótesis que plantean, y mediante un cuidadoso diseño experimental y un análisis meticuloso de los resultados, den resoluciones a los enigmas dentro de las teorías fundamentales de la biología microbiana.
¿En que contribuyen la enorme cantidad de datos que genera un metagenoma?, estudios de las relaciones filogenéticas de la comunidad, descubriendo de las funciones y la taxonomía. En resumen el ensamblaje de una comunidad. Este tipo de métodos son aplicados a virus que ahora se percibe son mucho más abundante que las bacterias, e importantes participantes en el intercambio genético. Esta es la época de asombrosos descubrimientos a partir de los estudios de ecología microbiana, donde se fundamentan los principios para nuevas teorías e inclusive leyes sobre el funcionamiento de la ecología bacteriana. Si bien cada contribución es un importante aporte esta revolución científica.
En esta carta, los autores hablan de los estudios metagenómicas como el equivalente actual a lo que fueron las grandes exploraciones en el s. XIX. Durante esa época se desarrolló una inmensa cantidad de teoría que determinó el rumbo de la ciencia de los siglos XX y XXI. Esto se logró debido a las preguntas que surgieron de las observaciones hechas durante esos grandes viajes, llenos de nuevos descubrimientos. La metagenómica es un nuevo viaje hacia lo antes desconocido. Debido a que la mayoría de los microorganismos no son cultivables, la única manera que tenemos de conocerlos es mediante un vistazo a su ADN. A la par del desarrollo de proyectos metagenómicos han surgido críticas hacia ellos. Y si bien muchas de ellas son ciertas, como que los metagenomas son incompletos, la falta de metadatos, o que es adentrarse a un mundo en su mayoría desconocido, toda exploración trae consigo nuevos descubrimientos, nuevas hipótesis y quizá nuevas teorías. Es imposible saber a donde nos llevará la metagenómica (y quizás los autores exageran en ciertas de sus predicciones), pero lo que queda claro es que aún hay mucho que descubrir en estras grandes exploraciones del s. XXI.
El artículo es una breve reflexión de la importancia de la microbiología ecológica actual, para lo cual hace la metáfora (un poco exagerada) de que Darwin, si hubiese nacido en nuestros tiempos, hubiera encontrado la práctica de la microbiología ambiental la rama más interesante de la biología. Un hecho me parece suficiente para captar esto: dada la cantidad de nuevas especies que se revelan en cada muestreo metagenómico de organismos procariontes, es evidente que todavía no sabemos mucho acerca de el potencial de biodiversidad que tiene la tierra. Esto es como la “materia oscura” de la física, pero en la biología: apenas hoy y gracias a nueva tecnología nos damos cuenta de la amplitud de nuestra ignorancia. Sólo esto debería bastar para interesar al profano. Me parece relevante saber que los datos metagenómicos están dando crédito al hecho de que las bacterias se dispersan por todos lados, pero que su establecimiento depende ya más en particular de las condiciones específicas del ambiente a donde éstas llegan.
Es claro que la gran cantidad de datos que se generan en proyectos metagenómicos masivos como el Global Ocean Sampling (GOS) o el Earth Micobiome Project (EMP) han sido un parteaguas en el entendimiento de las comunidades microbianas en su ambiente natural. Sin embargo, actualmente estos datos son validados con malos diseños expermentales, los cuales no tienen los “metadatos” necesarios para el análisis de la influencia del medio ambiente sobre la diversidad microbiana. Para generar hipótesis y hacer conclusiones acerca de las propiedades y funciones de los organismos, nos basamos en el método científico, el cual nos indica que la búsqueda de conociminento involucra el reconocimiento y formulación de un problema, seguido de la observación,recolecta de datos, hipótesis y posteriormente la comprobación o rechazo de esta última. Es aquí cuando entra Darwin en escena. Él se basó en el método científico para hacer observaciones de los organismos y después utilizó todos los datos reunidos en sus expediciones para generar su teoría del origen de las especies. En este sentido los autores sugieren que Darwin pudo habernos dado una lección a la comunidad científica, recalcando la importancia de la observacion para el desarrollo de hipótesis comprobables y un análisis exhausitovo de los datos. Aunado a esto, existen todavía algunos restricciones que no permiten que la metagenomica logre despegar aún más, como herramienta clave en el estudio de las comunidades microbianas en su ambiente natural. Algunas de estas restricciones son: la falta de buenos diseños experimentales, así como la forma en la que los datos son analizados y presentados en la comunidad científica, además de la falta de estandarización de las variables del ecosietema. Con el mejoramiento de estas restricciones, se podrían reformular las hipótesis con las que se abordan los datos obtenidos en proyectos metagenomicos y poder dar una mejor explicacion a la relación organismo-comunidad-ambiente.
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The importance of metagenomics surveys to microbial ecology: or why Darwin would have been a metagenomic scientist Gilbert, J. a, O’Dor, R., King, N., & Vogel, T. M. (2011). The importance of metagenomic surveys to microbial ecology: or why Darwin would have been a metagenomic scientist. Microbial informatics and experimentation, 1(1), 5. doi:10.1186/2042-5783-1-5
En este artículo se explica brevemente qué se ha hecho hace no mucho tiepo como parte de esfuerzos para conocer la diversidad de organismos en todo el planeta. Hay estudios a gran escala como Census of Marine Life partiendo de la premisa que hace falta mucho por conocer de la biodiversidad y funcionamiento de los oceános. Este trabajo reportó al menos 6000 nuevas especies. Ya de manera concreta, han surgido estudios enfocados a la la biodiversidad de microorganismos como Census of Marine Microbes. El alcance de los estudios metagenómicos es grande, de ésto da cuenta el Global Ocean Sampling. Se siguen sumando estudios con enfoques metagenómicos como el Earth Microbiome Project entre otros, que no solo buscan ver la diversidad biológica sino tambien la funcional. Es bueno tener en cuenta que existen estos trabajos a escala mundial multidisciplinarios para poder ver y entender los patrones de diversidad biológica, biogeográfica y funcional de los microorganismos.
Este manuscrito es una carta al Editor por parte de Vogel et. al, donde ponen de manifiesto el quehacer científico y como el resultado de esta actividad puede llegar a impactar a la personas. El tema que surge a partir del interés por conocer la biodiversidad en el océano involucro a diferentes investigadores y sectores de la población, uno de los resultados fue saber qué y cuánto había, a su vez se descubrierón nuevas especies, de este estudio se derivaron muchas más hipótesis y sobre todo surgió la posibilidad de explorar la vida microbiana en el mar. Con el desarrollo de la metagenomica hoy se puede hacer taxonomía e inferir funcionalidad de esta microbiota, incluso se censo la microbiota del mar a través de esta herramienta y los resultados obtenidos se pusierón a disposición de la comunidad científica, la cual uso para generar nuevas hipótesis y abrir nuevos campos de estudio como: querer conocer la asociación de los genes de la microbiota intestinal con la salud del humano, otro proyecto es el de conocer el microbioma de la tierra en donde tienen pensado secuenciar 200, 000 muestras y analizar taxonomía y funcionalidad. Los autores mencionan que a pesar de que esta herramienta nos permite tener mucha información hay que tener cuidado entre lo que existe y lo que podemos comprobar sobre todo porque en laboratorio existe desventajas experimentales y comenta que estamos en la era de descubrir la biodiversidad global pero no hay que olvidar que para hacer mejores hipótesis comprobables no existe otra cosa que la observación.
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