La technique

La métagénomique ciblée, ou metabarcoding, repose sur l’analyse de l’ADN environnemental par séquençage haut débit à partir de régions d’ADN spécifiques (appelées marqueurs), qui sont préalablement amplifiées par PCR (réaction de polymérisation en chaîne).. C'est une méthode particulièrement adaptée à l’étude des microorganismes car elle permet de dresser un inventaire des organismes présents dans un environnement complexe (comme les tissus, les fèces, la salive, les échantillons de sol, d'eau, d'air, et les aliments) sans avoir besoin de les connaître au préalable. C'est la technique la plus rapide pour l'évaluation environnementale de la biodiversité de systèmes écologiques riches en espèces inconnues ou difficiles à déterminer.

L’analyse de metabarcoding comprend plusieurs étapes:

• après prélèvement d'un échantillon environnemental, ici, du sédiment ou du biofilm périphytique
• l’ADN total est extrait
• puis un marqueur, informatif sur le plan taxonomique et commun à un groupe d’intérêt spécifique sera amplifié par PCR sur cible spécifique
• les amplicons (= marqueurs amplifiés issus de la PCR) obtenus sont séquencés
• et analysés par bioinformatique pour déterminer quels sont les organismes présents dans l’échantillon et selon quelle abondance relative. 

Un peu d'histoire

A l'origine, les microbiologistes identifiaient les bactéries en observant leurs caractères morphologiques après culture en milieu nutritif ou par l'observation au microscope. C'est en 1965 que Zuckekandl et Pauling proposent d'utiliser les séquences ADN comme marqueur moléculaire de l'évolution. En 1983, la réaction de polymérisation en chaîne (PCR) voit le jour et permet d'amplifier le matériel ADN in vitro. Cette méthode de biologie moléculaire révolutionne le domaine de la microbiologie car elle permet de cibler par amplification un marqueur ADN spécifique et ainsi d'identifier les espèces présentes dans un échantillon à partir de leurs molécules ADN.

Les premiers codes-barres taxonomiques

Au début des années 2000, les écologistes s’intéressent aux méthodes de biologie moléculaire d'amplification des marqueurs moléculaires type ADN. L'enjeu est d'utiliser un marqueur moléculaire standardisé, pour identifier l'ensemble des espèces des ordres du vivant, exactement comme un code-barres.

Le premier code-barres ADN est un fragment de 658 paires de bases du gène mitochondrial de la sous-unité de la Cytochrome Oxydase I (COI). Chaque espèce de vertébrés est identifiable par sa séquence ADN du COI. Pour répertorier de manière systématique l'ensemble des codes-barres du COI, le consortium scientifique Barcode of Life est crée en 2004. En 2007, la banque de données mondiales des codes-barres ADN est publiée. Le Barcode Of Life Data System compte aujourd'hui des millions d'espèces répertoriées avec leurs codes-barres ADN issues de milliers de projets scientifiques à travers le monde.

Les marqueurs chloroplastiques RBCL (Ribulose Biphosphate CarboxyLase ; 553 paires de bases) et MATK (MATurase K ; 879 paires de bases) sont désignés comme marqueurs standards pour les plantes en 2009. En 2012, les fungi ont leur propre code-barres standard l'espaceur interne transcrit (ITS ; 450 paires de bases). Concernant les bactéries le marqueur ribosomique 16S est principalement utilisé bien qu'il n'existe pas de marqueurs reconnus comme standard.

ADN Environnemental

L'ADN environnemental (ADNe) est l'ensemble de l’ADN pouvant être extrait à partir d’un échantillon environnemental comme le sol, l’eau ou l’air sans devoir isoler l’organisme cible en amont. C’est un mélange complexe d’ADN laissé dans l'environnement par les organismes vivants. L'analyse de l'ADNe permet de reconstruire l’écosystème local très précisément en utilisant une méthode de prélèvement non invasive.

Du code-barres au métabarcode

Si le barcoding s'applique à une espèce ciblée dans un environnement donné, le métabarcode est une méthode qui cible l'ensemble des séquences codes-barres capturées dans un environnement donné. Le séquençage de l'ensemble des codes-barres dans l'environnement ou métabarcode est rendu possible grâce aux méthodes de séquençage haut-débit. En effet, grâce au métabarcode il devient possible de détecter la quasi-totalité des organismes présents dans un échantillon issus d’un environnement complexe.