Microbial philogenetic analysis using molecular data: a review
DOI:
https://doi.org/10.55892/jrg.v8i18.1790Keywords:
molecular phylogenetics, cladogram, evolutionary relationships, genes, taxonomyAbstract
The idea of designing and scheming biological evolution through phylogenetic trees probably started with the development of the classification system by Linnaeus in the 18th century, giving rise to phylogeny. The study of evolutionary relationships between organisms has long been explored by science and for a long time these processes were analyzed using morphological and behavioral data. In recent decades this has changed significantly thanks to the development of molecular biology techniques and the emergence of molecular phylogenetics. Beginning in 2005, with the development and democratization of DNA sequencing techniques, known as New Generation Sequencing (NGS), a new large-scale sequencing approach was allowed, leading to an exponential increase in the volume of information available on the genetic characteristics of organisms. The capacity that these techniques have to solve issues of great complexity has promoted phylogenetic analysis into essential tools for an increasing diversity of research areas. It is known that the manual processing of such a large volume of information becomes unfeasible, hence the need to develop tools capable of working with huge databases. From that need bioinformatics arises, which is an interdisciplinary field of science that combines biology, computer science, statistics, mathematics and engineering to promote proper analysis, interpretation and processing of these biological data. This study presents a narrative review on the main concepts and methodologies applied to evolutionary models and phylogenetic reconstruction, aiming to contextualize and provide subsidies for a better understanding of the steps of a phylogenetic analysis to researchers who want to use this tool in their studies.
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References
SANTOS, C.M.D.; CALOR, A.R. Ensino de biologia evolutiva utilizando a estrutura conceitual da sistemática filogenética – I. Ciência & Ensino, v.1, p.1-8, 2007.
LOPES, S.G.B.C.; CHOW, F. Noções básicas de sistemática filogenética. In: LOPES, S. G. B. C.; CHOW, F.; LAHR, D. J. G.; TURRINI, P. Diversidade biológica, História da vida na Terra e Bioenergética. São Paulo, USP/Univesp/Edusp, p.54-67, 2014.
SAKAMOTO, T. Ferramentas para análise filogenética e de distribuição taxonômica de genes ortólogos. 2016. 112 p. Tese (Doutorado em Bioinformática) – Programa de Pós-Graduação em Bioinformática, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2016.
PINTO, J.F.C. Epidemiologia molecular do vírus da Imunodeficiência humana do tipo i: métodos de Inferência filogenética. 2004. 69 p. Dissertação (Mestrado em Saúde Pública) – Escola Nacional De Saúde Pública Sérgio Arouca, Rio de Janeiro, 2004.
CALDART, E.T.; MATA, H.; CANAL, C.W., RAVAZZOLO, A.P. Análise filogenética: conceitos básicos e suas utilizações como ferramenta para virologia e epidemiologia molecular. Acta Scientiae Veterinariae, v.44, p.1-20, 2016.
BUSO, G.S.C. Marcadores moleculares e análise filogenética. Brasília: Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia, 2005. 22 p.
MAZZAROLO, L.A. Conceitos básicos de sistemática filogenética. 2005. Disponível em: <http://www.mzufba.ufba.br/WEB/Ensino_Arquivos/Mazzarolo_Apostila.pdf>, Acesso em 15/04/2020.
MOUTINHO, W.T. Sistemática Filogenética. 2020. Disponível em: <https://www.coladaweb.com/biologia/reinos/sistematica-filogenetica>. Acessado em: 17 de abril de 2020.
COLLEY, E.; FISCHER, M.L. Especiação e seus mecanismos: histórico conceitual e avanços recentes. História, Ciências, Saúde – Manguinhos, v.20, p.1671-1694, 2013.
BENETI, J.S.; MONTESINOS, R.; TARFINO, M. Sistemática filogenética baseada em dados moleculares. In: BENETI, J.S.; MONTESINOS, R.; GIOVANNETTI, V. (Org.). Tópicos de Pesquisa em Zoologia. 1ed. São Paulo: Instituto de Biociências, v.1, p.84-102, 2017.
MONTEIRO, E.C.; URSI, S. Introdução à Filogenética para Professores de Biologia. 2011. Disponível em: <http://www2.ib.usp.br/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=59&Itemid=98>, Acesso em: 08 de abril de 2020.
BAUM, D. Reading a phylogenetic tree: The meaning of monophyletic groups. Nature Education, v.1, p.190, 2008.
KHAN ACADEMY. Phylogenetic trees. Disponível em: < https://www.khanacademy.org/science/high-school-biology/hs-evolution/hs-phylogeny/a/phylogenetic-trees>, Acesso em 08 de abril de 2020.
MADDISON, W.P. Gene trees in species trees. Systematic Biology, v.46, p.523-536, 1997.
SILVEIRA, E.L. Identificação de comunidades bacterianas de solo por seqüenciamento do gene 16S rRNA. 2004. 83p. Dissertação (Mestrado em Microbiologia) – Programa de Pós-Graduação em Microbiologia Agropecuária, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, 2004.
AMANN, R.I.; LUDWING, W.; SCHLEIFER, K.H. Ribossomal RNA-targeted nucleic acid probes for studies in microbial ecology. FEMS Microbiological Reviews, v.24, p.555-565, 2000.
JESUS, R.B. Diversidade bacteriana ruminal em bovinos nelore. 2014. 33 p. Dissertação (Mestrado em Zootecnia) – Programa de Pós-Graduação em Zootecnia, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, 2014.
PETROSINO, J.F.; HIGHLANDER, S.; LUNA, R.A.; GIBBS, R.A.; VERSALOVIC, J. Metagenomic pyrosequencing and microbial identification. Clinical Chemistry, v.55, p.856-866, 2009.
SINGER E.; BUSHNELL, B.; COLEMAN-DERR, D.; BOWMAN, B.; BOWERS, R.M.; LEVY, A.; GIES, E.A.; CHENG J.; COPELAND, A.; KLENK, H.; HALLAM, S.J.; HUGENHOLTZ, P.; TRINGE, S.G.; WOYKE, T. High-resolution phylogenetic microbial community profiling. The ISME Journal, v.10, p.2020-2032, 2016.
MACHADO, J.B. A. Uso da biblioteca genômica RNAr 16S como ferramenta para o estudo da microbiota fecal humana. 2013. 81 p. Dissertação (Mestrado em Farmácia) – Programa de Pós-Graduação em Farmácia, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2013.
HORIIKE, T. An introduction to molecular phylogenetic analysis. Reviews in Agricultural Science, v.4, p.36- 45, 2016.
GAINETT, G.; DIAS, P.H.S.; MONTESINOS, R. Metodologia da inferência filogenética. In: BENETI, J.S.; MONTESINOS, R.; GIOVANNETTI, V. (Org.). Tópicos de Pesquisa em Zoologia. 1ed. São Paulo: Instituto de Biociências, v.1, p.67-83, 2017.
SOKAL, R.; MICHENER, C. A statistical method for evaluating systematic relationships. University of Kansas Science Bulletin, v.38, p.1409-1438, 1958.
SAITOU, N.; NEI, M. The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. Molecular Biology and Evolution, v.4, p.406-25, 1987.
HENNIG, W. Phylogenetic Systematics. Urbana, University of Illinois Press, 1966. 263 p.
FITCH, W.M. Toward defining the course of evolution: minimum change for a specified tree topology. Systematic Zoology, v.20, p.406-416, 1971.
FELSENSTEIN, J. Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach. Journal of Molecular Evolution, v.17, p.368-376, 1981.
EFRON, B. Bootstrap methods: another look at the jackknife. The Annals of Statistics, v.7, p.1-26, 1979.
ZHARKIKH, A.; LI, W.H. Statistical properties of bootstrap estimation of phylogenetic variability from nucleotide sequences. I. Four taxa with a molecular clock. Journal of Molecular Evolution, v.9, p.1119-1147, 1992.
HILLIS, D.M.; BULL, J.J. An empirical test of bootstrapping as a method for assessing confidence in phylogenetic analysis. Systematic Biology, v.42, p.182-192, 1993.