A xenómica é o conxunto de ciencias e técnicas dedicadas ao estudo integral do funcionamento, o contido, a evolución e a orixe dos xenomas. É unha das áreas máis vangardistas da bioloxía. A xenómica usa coñecementos derivados de distintas ciencias como a bioloxía molecular, a bioquímica, a informática, a estatística, as matemáticas, a física etc.
Moitas veces, a palabra xenómica úsase como sinónimo doutras áreas de estudo relacionadas coas ciencias ómicas, como a proteómica e a transcriptómica, por exemplo.
As ciencias xenómicas tiveron un importante pulo nos últimos anos, sobre todo grazas ás tecnoloxías avanzadas de secuenciación de ADN, aos avances en bioinformática, e ás técnicas cada vez máis sofisticadas para realizar análises de xenomas completos. O desenvolvemento da xenómica contribuíu ao avance de distintos campos da ciencia como a medicina, a agricultura etc; grazas ao descubrimento de secuencias de xenes necesarias para a produción de proteínas de importancia médica e á comparación de secuencias xenómicas de distintos organismos. Por exemplo en varios países como os Estados Unidos, a Unión Europea e o Xapón realizáronse enormes proxectos para secuenciar o xenoma de diversos organismos modelo. Probablemente o máis coñecido é o Proxecto Xenoma Humano. Na actualidade cóntase ademais con importantes servidores de acceso público, como o do NCBI (National Center for Biotechnology Information), que permiten que calquera usuario con conexión a Internet acceda á secuencia completa do xenoma de decenas de organismos e ás secuencias de centos de miles de xenes de distintos organismos.
Diferenzas da xenómica con outras pólas da bioloxía A diferenza da xenética clásica, que a partir dun fenotipo (xeralmente mutante) procura o ou os xenes responsables de dito fenotipo, a xenómica ten como obxectivo predicir a función dos xenes a partir da súa secuencia ou das súas interaccións con outros xenes. Así, a xenómica ten un enfoque distinto para responder preguntas biolóxicas cando se compara con outras pólas da bioloxía máis tradicionais. En lugar do enfoque reducionista máis comunmente usado noutras ramas como son a bioloxía molecular ou a bioquímica, a xenómica trata estes problemas de maneira global. No caso do estudo puro de xenomas, a secuenciación dun xenoma xera información sobre todos os xenes presentes nun xenoma. Distintas características dos xenes como a posición no xenoma, a conservación dos xenes observada entre distintas especies e as predicións da estrutura das proteínas ou o ARN codificados permiten inferir a función dalgúns dos xenes estudados. Na xenómica aplicada a estudos de transcriptómica estúdanse os patróns de expresión de distintos xenes a unha escala global (véxase Chip de ADN, PCR en tempo real). Desta forma é posible suxerir posibles funcións e interaccións de xenes observadas nun punto no tempo.
Os estudos xenómicos caracterízanse pola súa interdisciplinariedade, debido a que o gran número de datos xerados nun estudo deste tipo require combinar tanto coñecementos biolóxicos coma estatísticos e informáticos.
Por outra parte, os estudos en xenómica utilizan unha estratexia Top-down para analizar preguntas en bioloxía. Con este enfoque, primeiro obsérvase o comportamento global de moitos xenes ou biomoléculas nun organismo (ARN mensaxeiro, proteínas, metabolitos etc.) e chégase finalmente a conclusións máis particulares que concirnen só a algunhas biomoléculas. Deste xeito, a aplicación das ciencias xenómicas permite abordar preguntas de grande importancia en bioloxía que requiren unha comprensión global do problema. Por exemplo, para o estudo de distintas doenzas xenéticas complexas cómpre dispoñer dunha lista completa dos xenes participantes e logo estudar as súas interaccións. Para entendermos a evolución dos xenomas tamén hai que dispoñer de secuencias completas para que se poidan así inferir os distintos eventos que puideron dar lugar ao estado actual do xenoma.
Para abordar distintos problemas biolóxicos as ciencias xenómicas subidivídense en distintas áreas de coñecemento, por exemplo a xenómica funcional, a xenómica estrutural e a xenómica comparada.
Áreas de investigación
Xenómica funcional
A xenómica funcional é unha rama da bioloxía molecular que ten como obxectivo facer uso da enorme cantidade de datos obtidos nos proxectos xenómicos (como os proxectos de secuenciación de xenomas) para describir as funcións dos xenes (e proteínas) e as interaccións. A xenómica funional céntrase nos aspectos dinámicos como a transcrición, tradución, e interaccións proteína-proteína, pero non en aspectos estáticos da información xenómica como a secuencias de ADN ou as estruturas. A xenómica funcional trata de responder cuestións sobre o funcionamento do ADN a nivel de xenes, os transcritos de ARN, e produtos proteicos. Unha característica clave dos estudos de xenómica funcional é a súa estratexia de considerar o xenoma completo para resolver estas cuestións, o que xeralmente implica métodos de alto rendemento en vez da aproximación á cuestión máis tradicional “xene por xene”. A xenómica funcional preocúpase de estudar os patróns de expresión xénica en diversas condicións. As ferramentas máis importantes usadas son as micromatrices e a bioinformática.
Xenómica estrutural
Exemplo de estrutura proteica determinada polo Midwest Center for Structural Genomics.|miniatura|300px A xenómica estrutural trata de describir a estrutura tridimensional de todas as proteínas codificadas nun xenoma.Marsden, R. L.; Lewis, T. A.; Orengo, C. A. (2007). "Towards a comprehensive structural coverage of completed genomes: A structural genomics viewpoint". BMC Bioinformatics 8: 86. doi:10.1186/1471-2105-8-86. PMC 1829165. PMID 17349043.Brenner, S. E.; Levitt, I. (2008). "Expectations from structural genomics". Protein Science 9 (1): 197–200. doi:10.1110/ps.9.1.197. PMC 2144435. PMID 10739263. Esta estratexia baseada no xenoma permite ter un método de alto rendemento para determinar as estruturas por unha combinación de estratexias de modelación e experimentais. A principal diferenza entre a xenómica estrutural e a predición estrutural tradicional é que a xenómica estrutural trata de determinar a estrutura de todas as proteínas codificadas polo xenoma, en vez de centrarse nunha proteína determinada. Cando se dispón de secuencias de xenomas completos, a predición de estruturas pode facerse máis rapidamente por medio da combinación de métodos de modelaxe e experimentais, especialmente debido a que a dispoñibilidade dun gran número de xenomas secuenciados e estruturas das proteínas resoltas previamente permite aos científicos modelizar a estrutura da proteína sobre a base das estruturas de homólogos previamente resoltos. A xenómica estrutural implica usar moitas estratexias posibles para a determinación da estrutura, como métodos experimentais utilizando secuencias xenómicas ou modelizacións baseadas na secuencia ou homoloxía estrutural dunha proteína de estrutura coñecida ou baseada en principios físicos e químicos para unha proteína sen ningunha homoloxía con ningunha estrutura coñecida. Ao contrario da bioloxía estrutural tradicional, a determinación da estrutura dunha proteína por medio da xenómica estrutural a miúdo (pero non sempre) faise antes de que se saiba algo sobre a función exercida pola proteína. Isto formula novos retos para a bioinformática estrutural, é dicir, determinar a función da proteína a partir da súa estrutura tridimensional.Brenner, S. E. (2001). "A tour of structural genomics" (PDF). Nature Reviews Genetics 2 (10): 801–809. doi:10.1038/35093574. PMID 11584296. Retrieved 2012-12-07.
Epixenómica
A epixenómica é o estudo do conxunto completo de modificacións epixenéticas sobre o material xenético dunha célula, coñecido como epixenoma.Francis, Richard C (2011). Epigenetics : the ultimate mystery of inheritance. New York: W.W. Norton. ISBN 9780393070057. As modificacións epixenéticas son modificacións reversibles no ADN celular ou nas histonas que afecta á expresión xénica sen alterar a secuencia de ADN. Dúas das modificacións epixenéticas mellor caracterizadas son a metilación do ADN e a modificación de histonas. As modificacións epixenéticas xogan un importante papel na expresión xénica e regulación, e están implicadas en numerosos procesos celulares como a diferenciación e desenvolvemento e na xénese de tumores. O estudo da epixenética a niverl global fíxose posible só recentemente por medio da adaptación de ensaios de alto rendemento xenómicos.Laird, P. W. (2010). "Principles and challenges of genome-wide DNA methylation analysis". Nature Reviews Genetics 11 (3): 191–203. doi:10.1038/nrg2732. PMID 20125086.
Metaxenómica miniatura|dereita|A secuenciación de escopeta ambiental (ESS, Environmental Shotgun Sequencing) é unha técnica clave en metaxenómica. (A) Toma de mostras dun hábitat; (B) partículas filtradas, tipicamente por tamaños; (C) lise e extracción do ADN; (D) clonación e construción de librarías; (E) secuenciación de clons; (F) ensamblaxe de secuencias en contigs e armazóns.
A metaxenómica é o estudo dos metaxenomas, é dicir, o material xenético recollido directamente de mostras ambientais. Este amplo campo pode denominarse tamén xenómica ambiental, ecoxenómica ou xenómica das comunidades. Mentres que a microbioloxía tradicional e a secuenciación xenómica microbiana dependían de cultivos clonais, as primeiras secuenciacións de xenes ambientais clonaban xenes específicos (xeralmente o xene do ARNr 16S) para obter un perfil de diversidade nunha mostra natural. Estes traballos indican que a gran maioría da biodiversidade microbiana fora pasada por alto nos métodos baseados en cultivos microbiolóxicos.Hugenholz, P; Goebel BM; Pace NR (1 September 1998). "Impact of Culture-Independent Studies on the Emerging Phylogenetic View of Bacterial Diversity". J. Bacteriol 180 (18): 4765–74. PMC 107498. PMID 9733676. Estudos recentes usan a secuenciación de Sanger de "escopeta" ou a pirosecuenciación masivamente paralela para conseguir mostras en gran medida non nesgadas de todos os xenes de todos os membros das comunidades mostreadas.Eisen, JA (2007). "Environmental Shotgun Sequencing: Its Potential and Challenges for Studying the Hidden World of Microbes". PLoS Biology 5 (3): e82. doi:10.1371/journal.pbio.0050082. PMC 1821061. PMID 17355177. Debido ao seu poder para revelar a diversidade previamente agochada da vida microscópica, a metaxenómica ofrece unha poderosa lente para ver o mundo microbiano que ten o potencial de revolucionar o coñecemento de todo o mundo vivo.Marco, D, ed. (2010). Metagenomics: Theory, Methods and Applications. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-54-7.Marco, D, ed. (2011). Metagenomics: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-87-5.
Estudo de sistemas
Virus e bacteriófagos