El dispositiu, testat a l'Antàrtida, optimitza la recollida eficaç de mostres i en permet l'anàlisi in situ. L'avenç ha estat possible en combinar tecnologies que inclouen l'ús d'un equipament portàtil per obtenir i analitzar seqüències d'ADN i un programari d'anàlisi propi, que ha estat patentat. Aquest desenvolupament pot tenir a més aplicacions a l'àmbit clínic i a la indústria.

El dispositiu, testat a l'Antàrtida (a la imatge), optimitza la recollida de mostres i permet l'anàlisi ràpida dels microorganismes presents en una mostra. A més, pot tenir aplicacions en l'àmbit clínic i en la indústria.

És un laboratori de camp que permet obtenir informació de les mostres molt ràpidament i millorar així el disseny dels mostrejos. És un nou enfocament experimental, l'èxit del qual es va demostrar durant la darrera campanya antàrtica espanyola mitjançant l'estudi de comunitats de microorganismes d'ecosistemes terrestres a les illes Livingston i Decepció. Ha estat desenvolupat per científics del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) y del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN), tots dos del CSIC, en el marc del projecte Rock-Eaters (Agència Estatal de Recerca, Ministeri de Ciència i Innovació).

L'investigador del CNB Javier Tamames, que ha implementat el sistema, explica que “la combinació de tecnologies ens permet extreure l'ADN microbià, purificar-lo i a més seqüenciar-lo amb un petit seqüenciador comercial, directament al lloc de mostreig”.

Un laboratori portàtil

Els científics han desplegat un laboratori portàtil capaç de funcionar de forma autònoma sobre el terreny, i per això ha estat clau disposar d'una eina d'anàlisi bioinformàtica fiable desenvolupada per nosaltres, el programari SqueezeMeta, amb el qual hem aconseguit agilitzar i automatitzar tot el procés d'identificació de microorganismes a partir de les seqüències d'ADN”.

“No s'havia pogut generar mai informació tan completa sobre la composició i funció d'una comunitat microbiana en un termini tan curt. Això obre la porta a nombroses aplicacions on la rapidesa a l'anàlisi sigui fonamental”, afegeix Tamames.

A l'Antàrtida hi ha regions inexplorades on habiten microorganismes, molts d'ells encara desconeguts, com els que colonitzen les roques que queden exposades després del retrocés del gel a les glaceres o les laves volcàniques. Per identificar-los, habitualment es recullen mostres que posteriorment s'analitzen als laboratoris mitjançant tècniques de seqüenciació genòmica massiva i anàlisis bioinformàtiques.

Detall del dispositiu.

En canvi, “aquesta metodologia ens ha permès processar les dades de seqüenciació durant el treball de camp i dissenyar així els mostrejos i experiments de manera dinàmica i més encertada, prenent decisions de forma ràpida, sense haver d'esperar al nostre retorn a Espanya per finalitzar el procés”, comenta la investigadora del MNCN Asunción de los Ríos.

“En campanyes anteriors, intuïes on havies de prendre mostres i esperaves obtenir bons resultats. Amb aquest sistema de treball saps si vas per bon camí des del principi i, en funció d'això, pots anar seleccionant les àrees de mostreig i garantir que estàs obtenint les dades que necessites”, recalca de los Ríos.

Els resultats obtinguts són de gran interès per entendre el paper dels microorganismes als ecosistemes terrestres antàrtics. "Identificant els microorganismes presents a roques antàrtiques podem valorar millor quina és la seva contribució al funcionament de l'ecosistema", conclou Fernando Garrido, també del MNCN.

Pot tenir aplicacions en altres camps, com la detecció de perfils de resistència a antibiòtics en situacions clíniques urgents o la monitorització ràpida de sistemes biotecnològics on hi hagi microbiomes implicats

De l'Antàrtida a la clínica i a la indústria

L'estratègia pot trobar aplicacions en altres sectors i camps, com ara la detecció de perfils de resistència a antibiòtics en situacions clíniques en què la rapidesa sigui determinant, explica Javier Tamames. O, per exemple, en casos clínics greus en què calgui determinar el tractament antibiòtic més adequat amb celeritat.

A la indústria agroalimentària, podria aplicar-se per a la monitorització ràpida en sistemes biotecnològics, com fermentadors o bioreactors on la composició o capacitats dels microbiomes implicats són claus i poden canviar ràpidament. Altres exemples són depuradores, sistemes de biolixiviació, fermentació d'aliments, control ràpid d'aigües o de l'aparició de patògens.

L'equipament de laboratori utilitzat pels investigadors són equips comercials, així com els protocols d'aïllament d'ADN i seqüenciació habituals. En aquesta part, el que han aportat els científics és la depuració i l'optimització dels procediments per a les mostres analitzades sobre la base de la seva experiència prèvia en el sistema d'estudi i els procediments de laboratori. La peça clau és el programari d'anàlisi SqueezeMeta, que ja està patentat. “És un desenvolupament totalment nostre i el que marca la diferència, cosa que fa possible obtenir resultats en un temps tan curt i usant equips tan reduïts i econòmics.”

Articles de referència:

Tamames J, Puente-Sánchez F. SqueezeMeta, A Highly Portable, Fully Automatic Metagenomic Analysis Pipeline. Front Microbiol. 2019 Jan 24;9:3349. doi: 10.3389/fmicb.2018.03349.

Puente-Sánchez F, García-García N, Tamames J. SQMtools: automated processing and visual analysis of 'omics data with R and anvi'o. BMC Bioinformatics. 2020 Aug 14;21(1):358. doi: 10.1186/s12859-020-03703-2.

Javier Tamames, Diego Jiménez, Álvaro Redondo, Sandra Martínez, Asunción de los Rios. In-situ metagenomics: A platform for rapid sequencing and analysis of metagenomes in less than one day. bioRxiv 2023.01.25.525498; doi: https://doi.org/10.1101/2023.01.25.525498