Bioinformática para microbioma: análise de dados de 16S, ITS e shotgun
Conheça os serviços de bioinformática da BiomeHub para processamento e interpretação de dados de amplicons e metagenômica.
Por Bianca Teixeira
Bióloga, Doutora em Ciências e Head de Projetos na BiomeHub.
Neste postblog será abordado:
O avanço das tecnologias de sequenciamento de DNA de alto desempenho ampliou as possibilidades de investigação do microbioma. No entanto, gerar os dados de sequenciamento é apenas uma das etapas de um estudo de microbioma. Após a obtenção dos arquivos brutos, é necessário transformar esse grande volume de dados em informações biologicamente relevantes, estatisticamente robustas e capazes de responder às perguntas da pesquisa.
Para isso, a expertise em bioinformática aplicada a estudos de microbioma faz toda a diferença. Os dados de sequenciamento exigem diferentes etapas de processamento computacional, controle de qualidade, classificação taxonômica, avaliação da diversidade microbiana e análises estatísticas que considerem o delineamento experimental e os metadados disponíveis.
Para pesquisadores que já possuem os arquivos de sequenciamento, contar com uma equipe especializada em análise de dados de microbioma pode ser uma alternativa para realizar essa etapa sem precisar estruturar internamente toda a infraestrutura técnica e computacional necessária.
Pensando nisso, a BiomeHub oferece serviços de bioinformática de forma independente do sequenciamento. Assim, pesquisadores podem contar com nossa equipe para analisar dados gerados na própria BiomeHub ou em outros laboratórios, universidades e institutos de pesquisa.
O que acontece depois que o sequenciamento termina?
O sequenciamento gera os dados brutos, mas ainda é necessário processá-los, analisá-los e interpretá-los para que se transformem em resultados científicos.
A partir dos arquivos gerados pelo sequenciamento, os FASTQ, a BiomeHub realiza um fluxo de análise que pode incluir controle de qualidade, processamento dos dados, caracterização taxonômica, análises de diversidade, comparação entre grupos e investigação de diferenças na composição do microbioma. Dependendo da estratégia utilizada, também podem ser explorados genes, funções e vias metabólicas.
Ao final, os resultados são organizados em tabelas, visualizações gráficas e análises estatísticas, permitindo a interpretação dos dados no contexto do desenho experimental e dos objetivos do estudo.
Em outras palavras: o sequenciamento gera os dados; a bioinformática transforma esses dados em resultados que podem responder às perguntas da pesquisa.
O que podemos analisar a partir dos seus dados?
A BiomeHub possui pipelines de bioinformática desenvolvidos e validados para a análise de dados de microbioma, adaptados a diferentes estratégias de sequenciamento, incluindo amplicons de 16S e ITS, e metagenômica shotgun.
16S e ITS
Nos estudos de sequenciamento de amplicons, a análise permite caracterizar a composição e a diversidade das comunidades microbianas.
Para esses dados, podem ser utilizadas ferramentas como QIIME2, com etapas de denoising por DADA2 e inferência de variantes de sequência (ASVs).
A classificação taxonômica é realizada utilizando bancos de dados específicos para cada marcador, como, por exemplo, SILVA v. 138 para 16S e UNITE para ITS.
Metagenômica shotgun
A metagenômica shotgun permite uma caracterização mais abrangente do microbioma, incluindo informações sobre sua composição taxonômica e potencial funcional.
Para esses dados, podem ser utilizadas ferramentas do bioBakery, que permitem realizar análises de perfil taxonômico e anotação funcional.
Identificar quais microrganismos estão presentes nas amostras é apenas uma parte da análise. Para entender as diferenças entre grupos e investigar sua relação com as características do estudo, é necessário avançar para as análises de diversidade e estatística.
Da caracterização microbiana à análise estatística
O escopo das análises estatísticas também é definido de acordo com o delineamento experimental, os metadados disponíveis e, principalmente, as perguntas biológicas do projeto.
Entre as principais análises realizadas no pipeline da BiomeHub estão:
Diversidade alfa
A diversidade alfa caracteriza a diversidade da comunidade microbiana dentro de cada amostra e permite avaliar diferenças de diversidade entre os grupos experimentais. Entre as métricas utilizadas estão:
Riqueza;
Shannon;
Simpson;
Inverse Simpson.
Diversidade beta
A diversidade beta avalia a dissimilaridade entre as comunidades microbianas, permitindo investigar se a composição do microbioma difere entre os grupos experimentais..
Os resultados podem ser representados por métodos de ordenação, como PCoA e NMDS, utilizando diferentes matrizes de distância, entre elas:
Bray-Curtis;
Euclidiana;
Jaccard;
UniFrac;
UniFrac ponderada.
Análise de abundância diferencial
A análise de abundância diferencial permite investigar quais microrganismos apresentam diferenças de abundância entre os grupos experimentais.
Entre os métodos que podem ser utilizados estão DESeq2, MaAsLin2, linDA, corncob e limma-voom, de acordo com as características dos dados e do projeto. Quando apropriado, diferentes métodos também podem ser combinados em uma análise de consenso, aumentando a robustez da avaliação dos resultados.
Estratégias personalizadas para diferentes projetos
Embora a BiomeHub conte com pipelines desenvolvidos e validados para as principais análises de microbioma, nem todas as demandas de um projeto se enquadram em fluxos de análise padronizados.
Quando o estudo apresenta objetivos, desenhos experimentais ou perguntas biológicas específicas, podemos desenvolver análises bioinformáticas customizadas, adaptando o fluxo analítico às características dos dados e às necessidades de cada projeto.
Explore seus resultados no EncodeReports
Os resultados das análises de microbioma não precisam ficar restritos a tabelas e arquivos estáticos. No EncodeReports, plataforma de inteligência de dados desenvolvida pela BiomeHub, os pesquisadores podem explorar seus resultados de forma interativa e relacioná-los às informações clínicas e experimentais do estudo.
A plataforma permite explorar os resultados de forma interativa e analisá-los sob diferentes perspectivas, incluindo:
PCoAs;
Barplots;
Heatmaps.
As figuras podem ser exportadas em alta resolução facilitando sua utilização em apresentações, trabalhos acadêmicos e publicações científicas.
Seus dados já estão sequenciados?
Conte com a BiomeHub para avançar com a análise.
A partir dos arquivos FASTQ nossa equipe realiza análises de 16S, ITS e metagenômica shotgun, definindo o fluxo analítico de acordo com o delineamento e os objetivos de cada projeto.
Os serviços de bioinformática podem ser contratados de forma independente do sequenciamento, inclusive para dados gerados em outros laboratórios, universidades e institutos de pesquisa.
Ficou com alguma dúvida? Fale com nossa equipe e descubra como podemos apoiar a análise do seu projeto.
