Tal como la genómica, la metagenómica es ambos, un conjunto de técnicas de investigación, con muchos enfoques y métodos relacionados, y un campo de investigación. En griego, meta significa “trascendente”. En su enfoque y métodos, la metagenómica supera el doble problema del cultivo y la diversidad genómica de la mayoría de los microbios, los mayores obstáculos para el avance de la microbiología clínica y ambiental. Meta, en primer término significa que esta nueva ciencia busca entender la biología a un nivel agregado, más allá del organismos individual para centrarse en los genes comunitarios y cómo puede influir en las actividades del otro en servicio a las funciones colectivas; en segundo término, también reconoce la necesidad de desarrollar métodos de cálculo que maximicen el entendimiento de la composición genética y las actividades de las comunidades tan complejas que solo pueden ser muestreadas, nunca completamente caracterizadas.

La metagenómica aún es una ciencia muy nueva, pero ya ha producido una riqueza de conocimiento acerca del mundo microbiano debido a sus radicalmente nuevas formas de realizar la microbiología. Todos los estudios metagenómicos toman el mismo primer paso: La extracción del ADN directamente de los microbios viviendo en un ambiente particular. La muestra mixta de ADN se puede analizar directamente, o clonado en una forma sostenible en bacterias de laboratorio, creando una ‘biblioteca’ que contiene los genomas de todos los microbios encontrados en el ambiente. La ‘biblioteca’ puede ser estudiada de varias maneras, ya sea basada principalmente en el análisis de la secuencia de nucleótidos del ADN clonado o en la determinación de lo que los genes clonados pueden hacer cuando se expresan como proteínas. Es importante reconocer que esta ‘biblioteca’ no está organizada en volúmenes ordenados, cada uno conteniendo el genoma de un miembro de la comunidad. En su lugar, se trata de millones de clones, cada uno con un fragmento al azar del ADN. Una biblioteca metagenómica es como miles de rompecabezas mezclados en una sola caja y armarlos otra vez, es uno de los grandes retos de esta ciencia reciente. El enfoque de la metagenómica es ahora posible gracias a la disponibilidad de la secuencia a bajo costo, ADN de alto rendimiento y las capacidades de cómputo avanzadas necesarias para dar sentido a las millones de secuencias aleatorias que figuran en las ‘bibliotecas’.

Las secuencias basadas en la metagenómica capturan una cantidad masiva de información sobre la comunidad microbiana en estudio. Un estudio del metagenoma de los habitantes microbianos del Mar de los Sargazos, por ejemplo, genera secuencias de aproximadamente un millón de genes y reveló clases enteras de genes que son más diversos que nunca y podría haber sido previsto en la base de estudios de los organismos cultivados. En el otro extremo del espectro, los estudios de una simple comunidad de microbios, que vive en agua extremadamente ácida, del drenaje de las minas de metales, ha demostrado el potencial de la metagenómica para diseccionar las interacciones detalladas entre los miembros de la comunidad microbiana.

La metagenómica, sin embargo, es algo más que una secuenciación a gran escala. Las funciones basadas en la metagenómica, millones de fragmentos aleatorios de ADN en una ‘biblioteca’ son traducidos en proteínas por las bacterias que crecen en el laboratorio. Los clones productores de proteínas ‘foráneas’ son entonces clasificados por varias capacidades, tales como la producción de vitaminas o resistencia a los antibióticos. Esto permite a los investigadores acceder a la tremenda diversidad genética en una comunidad microbiana sin saber nada acerca de la secuencia del gen subyacente, la estructura de la proteína deseada o el microbio de origen. Se han descubierto nuevos antibióticos y mecanismos de resistencia en funciones basadas en la metagenómica.