Article technique

La métagénomique

12/12/2023

La métagénomique est une méthode d’étude du microbiome, c’est-à-dire de l’ensemble des micro-organismes (bactéries, virus, champignons, levures, plancton…) présents dans un environnement spécifique (peau, organes, milieux maritimes, sols, air, etc).

Cette approche, reposant sur les techniques de séquençages nouvelle génération, permet de décrire le contenu de l’échantillon, mais aussi de donner un aperçu des capacités fonctionnelles de l’environnement étudié.

  1. Contexte

Les micro-organismes, bien qu’invisibles à l’œil nu, sont présents partout ; des eaux (eaux de pluies, fluviales, etc…) aux sols et autres surfaces en passant par les êtres vivants ou même l’air. Ces micro-organismes peuvent être présents sans avoir d’effet sur leur hôte ou au contraire interagir étroitement, en bien ou en mal, avec lui (mutualisme, parasitisme).

Par exemple, le corps humain abrite en moyenne 1 à 2 kg de bactéries, réparties dans divers endroits. On peut citer notamment les microbiotes intestinaux, vaginaux ou cutanés qui participent au bon fonctionnement de l’organisme et qui peuvent entraîner des pathologies en cas de perturbations. Les microbiotes des sols participent notamment à la fertilité et la régénération des sols et interagissent avec les plantes qui y poussent, notamment au niveau racinaire. Dans l’océan, les bactéries participent à de nombreux processus chimiques et sont une source de nourriture pour de nombreux autres organismes complexes (tel que les phytoplanctons). Enfin le microbiote aérien a notamment été suspecté de favoriser la transmission de maladies, comme récemment la COVID19. 

Pour ces raisons, la métagénomique, c’est-à-dire l’étude et l’analyse de ces microbiotes, a été un domaine de recherche très actif ces dernières décennies.

  • Aspects techniques

Le séquençage haut-débit, qui permet d’accéder aux informations liées aux ADNs présents dans un ou plusieurs échantillons, génère des quantités de données très importantes qu’il faut ensuite analyser avec des méthodes bio-informatiques et statistiques. En outre, quand l’analyse de données de génomique peut s’apparenter à la résolution d’un puzzle de millions de pièces, la métagénomique consiste, elle, à résoudre une dizaine de puzzles dont les pièces sont mélangées. Le développement de la métagénomique nécessite donc des équipements et des compétences solides pour permettre le développement et la gestion d’outils et de bases de données en constantes évolution.

Deux principales approches de métagénomique existent :

  • Le séquençage d’un ou plusieurs gènes marqueurs, spécifiques aux espèces étudiés (tels que l’ARN16S pour les bactéries ou ITS pour les champignons). On parle alors de métagénomique ciblée ou métabarcoding.
  • Le séquençage des génomes entiers de tous les organismes présents dans un échantillon sans distinction. On parle de métagénomique shotgun.

Ces deux approches présentent bien sûr leurs propres avantages et inconvénients qui sont résumés dans le tableau suivant :

TechniqueAvantagesInconvénients
MétabarcodingRapide et peu coûteuse
Identification d’une grande variété de bactéries et d’eucaryotes 
Aucune information sur d’autres gènes que celui ciblé
Biais d’amplification
Impossible de cibler les virus
Caractérisation au niveau de l’espèce difficile
Métagénomique shotgunPas de biais d’amplification
Détection de l’ensemble des bactéries, archae, virus et eucaryotes dans l’échantillon
Assemblage de novo de génomes d’espèces non-décrites
Identification au niveau de l’espèce voire de la souche
Besoin d’une grande profondeur de séquençage
Contamination par l’hôte : discrimination nécessaire des séquences de l’hôte vs les séquences associées au microbiote
Nécessite la plupart du temps d’avoir accès à des génomes de référence pour la classification
  • Applications

La métagénomique a ainsi un intérêt majeur pour de nombreux domaines de l’industrie. Les potentielles applications ne sont limitées que par l’imagination. Quelques exemples de projets en cours :

  • Santé :
    • Caractérisation et étude du microbiote intestinal afin de trouver de nouvelles cibles thérapeutiques (maladies inflammatoires, allergies, cancers, etc…) ou des traitements par transplantation fécale
    • Détection des microorganismes dans les aérosols pour améliorer la surveillance des épidémies
  • Agroalimentaire :
    • Développement de produits riches en probiotiques et étude des impacts sur le système digestif
    • Optimisation des sols pour la culture des plantes
  • Hygiène :
    • Evaluation de la stérilité des surfaces d’usines de production 
    • Evaluation de l’efficacité de dispositifs de stérilisation ou de protection tels que les gants et les masques
  • Ecologie :
    • Etude des capacités métaboliques de la flore microbienne présente dans les bassins de traitement des eaux usés
    • Evaluation de l’impact du changement climatique sur les microbiotes marins et telluriques
  • Cosmétique :
    • Etude de l’impact de produits sur le microbiome cutané et du cuir chevelu

Et de nombreux autres exemples existent !

CONCLUSION :

La métagénomique a su démontrer son utilité grâce à divers projets dans des domaines variés et notamment en santé humaine mais son potentiel reste encore très largement inexploité comme le montrent de nombreuses projections de la croissance du marché de la métagénomique.

La baisse des coûts de séquençage et l’évolution des méthodes et des bases de données ouvrent la voie à un éventail d’applications apportant une réelle valeur ajoutée que ce soit en matière d’innovation ou de recherche et développement. 

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