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Le Barcoding de l'ADN microbien est l'une des formes du métabarcoding, utilisée pour caractériser un mélange de micro-organismes par exemple prélevés sans tri dans l'environnement, à partir de « marqueurs génétiques universels » permettant d'identifier l'ADN de nombreuses espèces, même au sein d'un mélange de nombreux microbes..
Histoire L'idée d'utiliser des segments d'ADN pour dresser la liste des microbes présents dans une communauté microbienne remonte au moins au début des années 1970.
En 1972, Carl Woese, et Stephen Sogin ont été les premiers à tenter d'ainsi distinguer plusieurs familles au sein du monde bactérien, en utilisant le gène de l'ARNr 5S Sogin SJ, Sogin ML, Woese CR (June 1972). "Phylogenetic measurement in procaryotes by primary structural characterization". . 1 (2): 173–84. . . ..
Quelques années plus tard Woese et ses collègues proposèrent un nouvel arbre de vie contenant trois domaines, et ils furent les premiers à utiliser la petite sous-unité du gène de l'ARN ribosomal (SSU rRNA) pour distinguer les 3 branches de cet arbre : bactéries, archées et eucaryotes Woese CR, Kandler O, Wheelis ML (June 1990). "Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 87 (12): 4576–9. . . . .. Le gène SSU de l'ARNr est devenu le marqueur génétique le plus utilisé pour caractériser les procaryotes (ARNr 16S) et les eucaryotes (ARNr 18S).
Le processus autrefois fastidieux de clonage de ces fragments d'ADN pour le séquençage a été accéléré par l'amélioration constante des technologies de séquençage. Dès le début des années 2000 le séquençage à haut débit (HTS) a permis de traiter ces données volumineuses à l'aide d'une bioinformatique moderne et démocratisée (algorithmes en grappes) qui a beaucoup facilité la recherche sur la vie microbienne.
Marqueurs génétiques Le patrimoine génétique concerne aussi le monde microbien ; chaque espèce y est caractérisée par des spécificités génomiques, faisant qu'il est possible de distinguer des espèces rien que via une courte séquence d'ADN à partir d'une partie standard du génome. C'est cette courte séquence est ici dite code barre.
La condition requise pour qu'une partie spécifique du génome serve de code barre pour le barcoding est que cette partie du génome varie fortement d'une espèce à l'autre, mais varie peu entre deux individus de la même espèce, afin de faciliter la différenciation entre espèces Chakraborty C, Doss CG, Patra BC, Bandyopadhyay S (April 2014). "DNA barcoding to map the microbial communities: current advances and future directions". Applied Microbiology and Biotechnology. 98 (8): 3425–36. . . Hajibabaei M, Singer GA, Clare EL, Hebert PD (June 2007). "Design and applicability of DNA arrays and DNA barcodes in biodiversity monitoring". BMC Biology. 5 (1): 24. . . ..
Pour les bactéries et les archées, le gène ARNr 16S/ADNr est utilisé. Ce gène est courant chez tous les procaryotes ; il est donc utilisé comme code barre standard pour évaluer la diversité au sein des procaryotes.
Pour les protistes, c'est le gène de l'ARNr 18S/ADNr qui est utilisé Gardham S, Hose GC, Stephenson S, Chariton AA (2014). "DNA Metabarcoding Meets Experimental Ecotoxicology". Big Data in Ecology. Advances in Ecological Research. 51. . . ..
Pour les microchampignons, c'est la région ITS (Internal Transcrit Spacer) du cistron ribosomal qui a été choisie Creer S, Deiner K, Frey S, Porazinska D, Taberlet P, Thomas WK, Potter C, Bik HM (September 2016). "The ecologist's field guide to sequence-based identification of biodiversity". . 7 (9): 1008–1018. ..
Avantages Les microbes sont presque partout présents sur la planète, et parfois difficilement accessibles (au cœur d'un organisme, au fond de l'océan ou dans le sous-sol à plus d'un kilomètre de profondeur par exemple, et certains sont vraiment très petits). Leur biodiversité est loin d'être bien connue même si nous savons qu'elle est principalement composée de bactéries, d'archées, de microchampignons et d'eucaryotes unicellulaires.
L'identification taxinomique des eucaryotes microbiens nécessite une grande expertise, et elle est souvent rendue encore plus difficile en raison de la petite taille des organismes, parce que dans l'échantillon le micoorganisme peut être déjà fragmenté par lyse, et parce qu'il existe de la diversité cachée et des espèces cryptiques Bickford D, Lohman DJ, Sodhi NS, Ng PK, Meier R, Winker K, Ingram KK, Das I (March 2007). "Cryptic species as a window on diversity and conservation". . 22 (3): 148–55. . . Sáez AG, Lozano E (January 2005). "Body doubles". Nature. 433 (7022): 111. . . .. En outre, les procaryotes ne peuvent pas être taxonomiquement identifiés via des méthodes traditionnelles telles que la microscopie, car trop petits et la plupart du temps morphologiquement indiscernables, alors que le métabarcodage de l'ADN permet l'identification de ces microorganismes sans expertise taxonomique particulière, simplement en faisant correspondre des fragments de gènes courts dérivés de séquences à haut débit (HTS) à une base de données de séquences de référence (NCBI par exemple) Keeley N, Wood SA, Pochon X (February 2018). "Development and preliminary validation of a multi-trophic metabarcoding biotic index for monitoring benthic organic enrichment". Ecological Indicators. 85: 1044–1057. .. Ces qualités font du barcoding une méthode rentable, fiable et bien plus rapide que les méthodes traditionnelles, qui devrait permettre de répondre au besoin croissant d’évaluations environnementales locales et à grande échelle.
Applications De nombreuses études ont suivi la première utilisation par Woese de cette méthode, couvrant maintenant diverses applications.
Le métabarcodage est ainsi utilisé en recherche biologique et microbiologique comme dans l'écologie, de même qu'en médecine et en biologie humaine, par ex. étudier le microbiote intestinal de jumeaux normaux et obèses Turnbaugh PJ, Hamady M, Yatsunenko T, Cantarel BL, Duncan A, Ley RE, Sogin ML, Jones WJ, Roe BA, Affourtit JP, Egholm M, Henrissat B, Heath AC, Knight R, Gordon JI (January 2009). "A core gut microbiome in obese and lean twins". Nature. 457 (7228): 480–4. . . . . ou pour des études comparatives sur la composition en bactéries intestinales du nouveau-né, de l'enfant et de l'adulte Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, Trehan I, Dominguez-Bello MG, Contreras M, Magris M, Hidalgo G, Baldassano RN, Anokhin AP, Heath AC, Warner B, Reeder J, Kuczynski J, Caporaso JG, Lozupone CA, Lauber C, Clemente JC, Knights D, Knight R, Gordon JI (May 2012). "". Nature. 486 (7402): 222–7. . . . .. Les codes barres jouent un rôle croissant et majeur dans la biosurveillance, par exemple de rivières et ruisseaux Vasselon V, Rimet F, Tapolczai K, Bouchez A (November 2017). "". Ecological Indicators. 82: 1–12. ., pour la restauration de sols et de prairies Guo Y, Hou L, Zhang Z, Zhang J, Cheng J, Wei G, Lin Y (12 March 2019). "". Land Degradation & Development. .. Il facilite la parasitologie de la conservation, la parasitologie de l'environnement et même la . C'est enfin un outil très utile pour la recherche et la gestion des maladies, à risque pandémique notamment Morand S (April 2018). "Advances and challenges in barcoding of microbes, parasites, and their vectors and reservoirs". Parasitology. 145 (5): 537–542. . ..
Cyanobactéries vignette|redresse=1.2|Cyanobactérie du genre Dolichospermum, telle que vue au microscope optique ; beaucoup de cyanophycées ont des formes qui changent selon les conditions du milieu et/ou se ressemblent fortement, ce qui rend leur identification au microscope difficile, voire impossible.
Les cyanobactéries sont un groupe bien différencié de procaryotes photosynthétiques, qui présentent des enjeux importants car elles sont importantes dans le réseau trophique et dans certaines symbioses, et pouvant pour nombre d'entre elles libérer dans certaines circonstances des toxines dans l'environnement (cyanotoxines). Comme pour d'autres procaryotes, la taxonomie des cyanobactéries, quand elle passe par le barcodage, est basée sur la similarité de séquences d'ADN du gène ribosomal 16S Rosselló-Mora R (September 2005). "Updating prokaryotic taxonomy". Journal of Bacteriology. 187 (18): 6255–7. . . .. Ainsi, le code à barres le plus couramment utilisé pour identifier des cyanobactéries est le marqueur ADNr 16S. Il est difficile de définir les espèces au sein des procaryotes, mais le marqueur 16S peut être utilisé pour déterminer des unités taxonomiques opérationnelles (OTU). Parfois ces OTU peuvent aussi être liées à des espèces définies traditionnellement et peuvent donc être considérées comme une représentation fiable des relations évolutives Eckert EM, Fontaneto D, Coci M, Callieri C (December 2014). "Does a barcoding gap exist in prokaryotes? Evidences from species delimitation in cyanobacteria". Life. 5 (1): 50–64. . . ..
Cependant, pour analyser une structure taxonomique ou la biodiversité d'une communauté cyanobactérienne entière (voir Métabarcodage de l'ADN), il est plus instructif d'utiliser des marqueurs spécifiques aux cyanobactéries. Les amorces bactériennes universelles 16S ont été utilisées avec succès pour isoler l'ADNr cyanobactérien à partir d'échantillons environnementaux, mais elles récupèrent également de nombreuses séquences bactériennes Rappé MS, Suzuki MT, Vergin KL, Giovannoni SJ (January 1998). "Phylogenetic diversity of ultraplankton plastid small-subunit rRNA genes recovered in environmental nucleic acid samples from the Pacific and Atlantic coasts of the United States". Applied and Environmental Microbiology. 64 (1): 294–303. . . Van der Gucht K, Vandekerckhove T, Vloemans N, Cousin S, Muylaert K, Sabbe K, Gillis M, Declerk S, De Meester L, Vyverman W (July 2005). "Characterization of bacterial communities in four freshwater lakes differing in nutrient load and food web structure". FEMS Microbiology Ecology. 53 (2): 205–20. . .. Des marqueurs 16S spécifiques de cyanobactéries Nübel U, Garcia-Pichel F, Muyzer G (August 1997). "PCR primers to amplify 16S rRNA genes from cyanobacteria". Applied and Environmental Microbiology. 63 (8): 3327–32. . . ou phyto-spécifiques sont couramment utilisés pour se concentrer uniquement sur les cyanobactéries Stiller JW, McClanahan AN (March 2005). "Phyto-specific 16S rDNA PCR primers for recovering algal and plant sequences from mixed samples". Molecular Ecology Notes. 5 (1): 1–3. .. Des ensembles de ces amorces ont été testés pour le codage à barres ou le métabarcodage d'échantillons environnementaux et ont donné de bons résultats, éliminant la majorité des organismes non photosynthétiques ou non cyanobactériens Betournay S, Marsh AC, Donello N, Stiller JW (June 2007). "Selective recovery of microalgae from diverse habitats using 'phyto-specific' 16S rDNA primers". Journal of Phycology. 43 (3): 609–613. . Boutte C, Grubisic S, Balthasart P, Wilmotte A (June 2006). "Testing of primers for the study of cyanobacterial molecular diversity by DGGE". Journal of Microbiological Methods. 65 (3): 542–50. . . López-Legentil S, Song B, Bosch M, Pawlik JR, Turon X (22 August 2011). "Cyanobacterial diversity and a new acaryochloris-like symbiont from Bahamian sea-squirts". PLOS ONE. 6 (8): e23938. . . . ..
Le nombre de génomes cyanobactériens séquencés disponibles dans les bases de données augmente régulièrement Juteršek M, Klemenčič M, Dolinar M (December 2017). "". Acta Chimica Slovenica. 64 (4): 804–817. . ..