El dispositivo, testado en la Antártida, optimiza la recogida de muestras y permite su análisis in situ. El avance ha sido posible al combinar tecnologías que incluyen el uso de un equipamiento portátil para obtener y analizar secuencias de ADN, y un software propio de análisis, que ha sido patentado. Este desarrollo puede tener además aplicaciones en el ámbito clínico y en la industria.

El dispositivo, testado en la Antártida (en la imagen), optimiza la recogida de muestras y permite el análisis rápido de los microorganismos presentes en una muestra. Puede tener además aplicaciones en el ámbito clínico y en la industria. Se trata de un laboratorio de campo que permite obtener información de las muestras muy rápidamente y mejorar así el diseño de los muestreos. Es un novedoso enfoque experimental, cuyo éxito se demostró durante la última campaña antártica española mediante el estudio de comunidades de microorganismos de ecosistemas terrestres en las islas Livingston y Decepción. Ha sido desarrollado por científicos del Centro Nacional de Biotecnología (CNB) y del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN), ambos del CSIC, en el marco del proyecto Rock-Eaters (Agencia Estatal de Investigación, Ministerio de Ciencia e Innovación).

El investigador del CNB Javier Tamames, que ha implementado el sistema, explica que “la combinación de tecnologías nos permite extraer el ADN microbiano, purificarlo y además secuenciarlo con un pequeño secuenciador comercial, directamente en el lugar de muestreo”.

Un laboratorio portátil

Los científicos han desplegado un laboratorio portátil capaz de funcionar de forma autónoma sobre el terreno, y “para ello ha sido clave disponer de una herramienta de análisis bioinformático fiable desarrollada por nosotros, el software SqueezeMeta, con el que hemos conseguido agilizar y automatizar todo el proceso de identificación de microrganismos a partir de sus secuencias de ADN”. 

“Nunca antes se había podido generar información tan completa sobre la composición y función de una comunidad microbiana en un plazo tan corto. Esto abre la puerta a numerosas aplicaciones donde la rapidez en el análisis sea fundamental”, añade Tamames.

En la Antártida existen regiones inexploradas donde habitan microorganismos, muchos de ellos aún desconocidos, como los que colonizan las rocas que quedan expuestas tras el retroceso del hielo en los glaciares o las lavas volcánicas. Para identificarlos, habitualmente se recogen muestras que posteriormente se analizan en los laboratorios mediante técnicas de secuenciación genómica masiva y análisis bioinformáticos.

Detalle del dispositivo.

En cambio, “esta metodología nos ha permitido procesar los datos de secuenciación durante el trabajo de campo y diseñar así los muestreos y experimentos de un modo dinámico y más certero, tomando decisiones de forma rápida, sin tener que esperar a nuestro regreso a España para finalizar el proceso”, comenta la investigadora del MNCN Asunción de los Ríos.

“En campañas anteriores, intuías donde debías tomar muestras y esperabas obtener buenos resultados. Con este sistema de trabajo sabes si vas por buen camino desde el principio y, en función de eso, puedes ir seleccionando las áreas de muestreo y garantizar que estás obteniendo los datos que necesitas”, recalca de los Ríos.

Los resultados obtenidos son de gran interés para entender el papel de los microorganismos en los ecosistemas terrestres antárticos. “Identificando los microorganismos presentes en rocas antárticas podemos valorar mejor cuál es su contribución al funcionamiento del ecosistema”, concluye Fernando Garrido, también del MNCN.

Puede tener aplicaciones en otros campos, como la detección de perfiles de resistencia a antibióticos en situaciones clínicas urgentes o el monitoreo rápido de sistemas biotecnológicos donde haya microbiomas implicados 

De la Antártida a la clínica y a la industria

La estrategia puede hallar aplicaciones en otros sectores y campos, como la detección de perfiles de resistencia a antibióticos en situaciones clínicas en las que la rapidez sea determinante, explica Javier Tamames. O, por ejemplo, en casos clínicos graves en los que haya que determinar el tratamiento antibiótico más adecuado con celeridad.

En la industria agroalimentaria, podría aplicarse para el monitoreo rápido en sistemas biotecnológicos, como fermentadores o biorreactores donde la composición o capacidades de los microbiomas implicados son claves y pueden cambiar rápidamente. Otros ejemplos son depuradoras, sistemas de biolixiviación, fermentación de alimentos, el control rápido de aguas o de la aparición de patógenos.

El equipamiento de laboratorio usado por los investigadores son equipos comerciales, así como habituales los protocolos de aislamiento de ADN y secuenciación. En esta parte, lo que han aportado los científicos es la depuración y optimización de los procedimientos para las muestras analizadas en base a su experiencia previa en el sistema de estudio y los procedimientos de laboratorio. La pieza clave es el software de análisis SqueezeMeta, el cual ya está patentado. “Es un desarrollo totalmente nuestro y lo que marca la diferencia, lo que hace posible obtener resultados en un tiempo tan corto y usando equipos tan reducidos y económicos.”  

Artículos de referencia:

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