Neue RNA -Barcoding -Methode verfolgt den Gentransfer in mikrobiellen Gemeinschaften

In der mikroskopischen Welt der Bakterien ist der Gentransfer ein starker Mechanismus, der die zelluläre Funktion verändern, die Antibiotikaresistenz antibiotischer Resistenz fördern und sogar ganze Ökosysteme formen kann. Jetzt hat eine interdisziplinäre Gruppe von Forschern der Rice University eine innovative RNA -Methode „Barcoding“ entwickelt, um diese genetischen Austausch in mikrobiellen Gemeinschaften zu verfolgen und neue Einblicke in die Art und Weise zu geben, wie Gene über Arten hinweg bewegen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht in Naturbiotechnologie.

Wir haben seit langem gewusst, dass Bakterien Gene auf eine Weise tauschen, die sich auf die menschliche Gesundheit, die Biotechnologie und die Umweltstabilität auswirkt. Die Kartierung, die Mikroben am Gentransfer beteiligt sind, war jedoch eine Herausforderung. Diese neue Technik gibt uns eine direkte Möglichkeit, diese Informationen in den Zellen selbst aufzuzeichnen. „

James Chappell, außerordentlicher Professor für Biosciences und Bioengineering

Traditionelle Methoden zur Untersuchung des Gentransfers beinhalten die Kennzeichnung mobiler genetischer Elemente mit fluoreszierenden Proteinen oder Antibiotika -Resistenzgenen. Diese Ansätze erfordern zwar wirksam, Isolierungen und Wachstum von Mikroben in einem Labor, wodurch deren Verwendung in komplexen Umgebungen eingeschränkt wird.

Um diese Herausforderung anzugehen, haben ein interdisziplinäres Team aus den Forschungslabors von Rice’s Chappell, Joff Silberg und Lauren Stadler ein neues synthetisches Biologie -Tool erstellt. Dieses Team bestand aus Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu und August Staubus.

Die neue Methode des Reisteams, die als RNA-adressive Modifikation (RAM) bezeichnet wird, umgeht diese Hürden unter Verwendung einer synthetischen katalytischen RNA (Cat-RNA) in „Barcode“ ribosomale RNA (rRNA) in lebenden Zellen.

Durch das Schreiben genetischer Informationen direkt in die 16S -rRNA – ein in Bakterien allgemein vorkommendes Molekül – konnten die Forscher verfolgen, welche Mikroben ausländische DNA erlangten, ohne ihre natürliche Umgebung zu stören. Als gezielte Sequenzierung von 16S -rRNA ist diese Methode außerdem der Goldstandard zur Identifizierung verschiedener Bakterienarten, die etablierte und einfach zu verwendende Protokolle und die Analysesoftware nutzen können.

„Dies ist ein Spielveränderer für die Erstellung eines mobilen DNA-Atlas“, sagte Silberg, der Stewart Memorial Professor für Biosciences und Professor für Bioengineering. „Anstatt Informationen zufällig in der bakteriellen DNA zu schreiben, die dauerhaft und mühsam zum Lesen zu lesen ist, schreiben wir Informationen in einer Region der RNA, die im gesamten Baum des Lebens hoch konserviert ist und die Informationen billig und leicht vorlesen zu lassen.“

Um dies zu erreichen, entwarf die Forscher ein kleines RNA-Molekül auf Ribozymbasis (auch katalytische RNA genannt), das beim Gentransfer einen einzigartigen Barcode an 16S-rRNA anhielt. Diese Cat-RNA wurde mit konjugativen Plasmiden in eine mikrobielle Modellgemeinschaft eingeführt, die natürlich vorkommende Genträger in Bakterien sind.

Das Experiment umfasste die Einführung dieser Barcoding -Plasmide in E. coli -Spenderbakterien, die dann ihr genetisches Material in eine Abwassergemeinschaft auf verschiedene Mikroben übertragen. Nach 24 Stunden extrahierten die Forscher die gesamte RNA und sequenzierten die barcodierten 16S -rRNA.

„Was wir sahen, war bemerkenswert“, sagte Stadler, außerordentlicher Professor für Zivil- und Umweltingenieurwesen. „Ungefähr die Hälfte der Bakterientaxa in der Abwassergemeinschaft könnte die Plasmide aufnehmen, was uns eine detaillierte Karte der horizontalen Gententransfereignisse ermöglicht.“

Die Studie zeigte auch, dass RAM verwendet werden kann, um die Unterschiede in den Wirtsbereichen zwischen DNA -Plasmidtypen zu messen. Mit Zehntausenden verschiedener DNA-Plasmiden in natürlichen Umweltmikroben bietet RAM eine einfache und kostengünstige Methode, um die Beziehung zwischen Plasmiden und ihren Wirten zu verstehen.

„RAM kann verwendet werden, um die Bewegung mehrerer genetischer Elemente in einer gesamten mikrobiellen Gemeinschaft zu verfolgen“, sagte Chappell. „Dies ermöglichte es uns, die Bewegung mehrerer Plasmide in einem einzigen Experiment zu verfolgen und könnte erweitert werden, um die Dynamik des Plasmidtransfers in mikrobiellen Gemeinschaften und Wechselwirkungen zwischen mobilen genetischen Elementen zu untersuchen.“

Die RAM-Methode hat möglicherweise weitreichende Anwendungen in Medizin, Biotechnologie und Umweltwissenschaften. Eines der dringendsten Bedenken ist die Antibiotikaresistenz, da die Verfolgung der Ausbreitung von Resistenzgenen und Abwasser dazu beitragen könnte, Ausbrüche von drogenresistenten Infektionen vorherzusagen und zu verhindern. Im Bereich der Bioremediation und Abfallwirtschaft kann diese Technologie Mikrobiome entwickeln, die Schadstoffe effizient abbauen und gleichzeitig sicherstellen, dass nützliche genetische Modifikationen erhalten bleiben. In der synthetischen Biologie und Biotechnologie beruht die Fähigkeit, Mikrobiome für spezifische Aufgaben wie die Herstellung von Biokraftstoffen oder Pharmazeutika zu produzieren, außerdem auf einen sicheren und kontrollierten Gentransfer.

„Das Potenzial hier ist enorm“, sagte Stadler. „Wir haben jetzt eine Möglichkeit zu untersuchen, wie Bakterien Gene in ihrem natürlichen Lebensraum teilen, ohne sie in einem Labor wachsen zu müssen. Das öffnet die Tür für eine neue Welle mikrobieller Forschung und synthetische Biologieanwendungen.“

In Zukunft könnte diese Barcodierungstechnik auch erweitert und auf andere Formen des Genwechsels wie Transduktion (über Bakteriophagen) und Transformation (direkte DNA -Aufnahme) erweitert und angewendet werden. Darüber hinaus kann die Optimierung der Cat-RNA-Stabilität und die Erhöhung der Anzahl der eindeutigen Barcodes eine noch feinere Auflösung bei der Verfolgung mikrobieller Wechselwirkungen ermöglichen.

„Mit der weiteren Entwicklung könnte die RNA -Barcodierung zu einem universellen Instrument zum Speichern von Informationen in Umweltgemeinschaften über zusätzliche mikrobielle Verhaltensweisen hinausgehen“, sagte Silberg.

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