Una herramienta computacional permite analizar y mejorar la calidad de los genomas virales

Es un programa que puede ser útil para realizar el control de calidad de los datos obtenidos mediante la secuenciación de muestras ambientales, una técnica conocida como metagenómica. Este examen permite saber cuán completas son las secuencias mapeadas y se existe alguna contaminación con material genético de otros microorganismos.

Por Karina Toledo | Agência FAPESP – Científicos estadounidenses han desarrollado una herramienta computacional que permite evaluar y mejorar la calidad de genomas virales obtenidos mediante metagenómica, una técnica que consiste en secuenciar todo el material genético existente en muestras ambientales (de suelo o de agua, por ejemplo) y posteriormente identificar con bioinformática a qué organismos pertenecen las secuencias generadas.

Este trabajo, dado a conocer en la revista Nature Biotechnology, se llevó a cabo en el Instituto Conjunto del Genoma del Departamento de Energía de Estados Unidos, bajo la coordinación de Nikos Kyrpides y Stephen Nayfach. Uno de sus coautores es Antônio Pedro Camargo, doctorando en el Instituto de Biología de la Universidad de Campinas (IB-Unicamp), en Brasil, y becario de la FAPESP.

La herramienta, denominada “CheckV”, se encuentra disponible para su descarga gratuita en  la siguiente dirección electrónica: http://bitbucket.org/berkeleylab/CheckV. 

“La metagenómica hizo posible un enorme avance en el conocimiento sobre la biodiversidad microbiana. Más del 40 % de las especies de bacterias conocidas se describieron recientemente, merced a este tipo de abordaje. Con todo, aún sabemos muy poco sobre los virus. La mayor parte de los genomas secuenciados corresponde a patógenos humanos, pero pretendemos conocer mejor a los bacteriófagos [los virus que infectan a bacterias], que constituyen las entidades biológicas más abundante de la Tierra y cumplen un papel importante en la regulación de los ecosistemas”, le comenta Camargo a Agência FAPESP.

Tal como explican los autores en el artículo, muchos de los microorganismos que participan en el ciclo de nutrientes como el carbono, el nitrógeno y el azufre son regulada por virus en sus ambientes naturales. Según sostienen, la metagenómica puede ayudar a los científicos a recuperar los genomas de esos virus y a asociarlos a sus hospedantes microbianos.

“Pero se trata de una técnica pasible de errores. Muchas veces las secuencias obtenidas mediante este análisis de muestras ambientales se encuentran fragmentadas, incompletas o contaminadas con material genético de las bacterias hospedantes. Por este motivo, en los últimos años se ha venido intentando diseñar estrategias para efectuar el control de calidad de los resultados obtenidos mediante metagenómica”, dice el doctorando.

Tal como lo explica Camargo, los virus evolucionan mucho más rápido del que los organismos celulares y poseen un genoma extremadamente plástico. Suele ocurrir que un bacteriófago le “robe” genes a la bacteria hospedante o a otro virus que la infectó simultáneamente.

“Los bacteriófagos poseen en mayor medida un genoma circular que se integra al de la bacteria hospedante. Con esta herramienta es posible mensurar el grado de contaminación de las secuencias víricas identificadas y separar el material genético viral del bacteriano al analizar una muestra ambiental mediante metagenómica”, dice.

CheckV también es capaz de señalar cuán completa es la secuencia obtenida. De acuerdo con Camargo, esto es posible porque el tamaño del genoma se encuentra relativamente conservado entre virus similares, pues está limitado por la cápsida, la envoltura proteica que protege el material genético de esos microorganismos.

“La herramienta compara el tamaño de la secuencia obtenida mediante metagenómica con el patrón esperable para el grupo y, de ser la mitad, por ejemplo, nos indica que posee un 50 % de completitud”, comenta.

Para validar CheckV, el grupo encabezado por Kyrpides y Nayfach se valió de dos bancos de datos que reúnen secuencias de virus no cultivados en laboratorio (obtenidos mediante secuenciación de muestras ambientales): Integrated Microbial Genomes (IMG/VR) y Global Ocean Virome 2.0. La herramienta identificó un total de 44.652 genomas virales completos o cuasi completos en ambos conjuntos de datos (el 3,6 % del total analizado), separándolos de la gran mayoría de las otras secuencias que se encontraban fragmentadas o incompletas.

Asimismo, CheckV fue capaz de identificar poco más de 17 mil secuencias víricas en IMG/VR que estaban integradas en genomas de bacterias hospedantes. De este modo, al separar el material genético del virus y el del hospedante, fue posible identificar genes codificados por el virus que modulan el metabolismo bacteriano.

Microbios buenos

Durante su doctorado, Camargo se ha venido abocando a estudiar bacterias capaces de prosperar en ambientes adversos y que puede de alguna manera ayudar a las plantas a sobrevivir en situaciones en las cuales los nutrientes son limitados. Este proyecto está coordinado por los profesores del Instituto de Biología Marcelo Falsarella Carazzolle y Paulo Arruda, en el ámbito del Centro de Investigaciones en Genómica Aplicada a los Cambios climáticos (GCCRC), un Centro de Investigaciones en Ingeniería (CPE)  constituido por la FAPESP y por la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) en la Unicamp.

“Las plantas y los animales están repletos de microorganismos, que crean un vínculo funcional con sus hospedantes y pueden generar beneficios para el sistema de defensa, para la nutrición y para sanidad de los ejemplares. Uno de los grandes retos de los estudios sobre el microbioma consiste en la identificación de los mecanismos a través de los cuales interactúan las comunidades microbianas beneficiosas interactúan con el organismo hospedante para modular su desempeño”, le comenta Arruda a Agência FAPESP.

La secuenciación masiva de metagenomas y metatranscriptomas (el conjunto de moléculas de ARN expresadas en una muestra ambiental) ha revelado una gran diversidad de virus de ADN y ARN que forman parte de la microbiota de plantas y humanos, como así también una miríada de nuevas funciones reguladas por las comunidades microbianas en sus hospedantes, según informa el coordinador del GCCRC.

“La comprensión del papel de esas comunidades virales en la función y en la evolución de los organismos constituye el próximo desafío. Es fundamental contar con nuevas herramientas computacionales que doten de una mayor precisión y eficiencia al análisis del viroma de los organismos para avanzar en esta importante área de las ciencias de la vida”, afirma Arruda.

Puede leerse el artículo intitulado CheckV assesses the cuality and completeness of metagenome-assembled viral genomes en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41587-020-00774-7.