Нов метод за баркодиране на РНК проследява генния трансфер в микробните общности

Нов метод за баркодиране на РНК проследява генния трансфер в микробните общности

В микроскопичния свят на бактериите генният трансфер е мощен механизъм, който може да промени клетъчната функция, да насърчи антибиотичната резистентност и дори да оформи цели екосистеми. Сега интердисциплинарна група от изследователи в университета Райс разработи иновативен метод за „баркодиране“ на РНК за проследяване на тези генетични обмени в микробните общности, предоставяйки нови прозрения за начина, по който гените се движат между видовете. Резултатите бяха публикувани наскоро вЕстествена биотехнология.

Отдавна знаем, че бактериите разменят гени по начини, които оказват влияние върху човешкото здраве, биотехнологиите и стабилността на околната среда. Картографирането кои микроби участват в генния трансфер обаче е предизвикателство. Тази нова техника ни дава директен начин да записваме тази информация в самите клетки. “

Джеймс Чапел, доцент по бионауки и биоинженерство

Традиционните методи за изследване на генния трансфер включват маркиране на мобилни генетични елементи с флуоресцентни протеини или гени за резистентност към антибиотици. Макар и ефективни, тези подходи изискват изолиране и отглеждане на микроби в лаборатория, което ограничава използването им в сложни среди.

За да се справи с това предизвикателство, интердисциплинарен екип от изследователските лаборатории на Rice's Chappell, Joff Silberg и Lauren Stadler създаде нов инструмент за синтетична биология. Този екип се състоеше от Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu и August Staubus.

Новият метод на екипа на ориза, наречен модификация на РНК-адресиране (RAM), преодолява тези препятствия чрез използване на синтетична каталитична РНК (Cat-RNA) за „баркодиране“ на рибозомна РНК (rRNA) в живи клетки.

Чрез записване на генетична информация директно в 16S rRNA - молекула, която обикновено се среща в бактериите - изследователите успяха да проследят кои микроби са придобили чужда ДНК, без да нарушават естествената им среда. Като целенасочено секвениране на 16S rRNA, този метод също е златен стандарт за идентифициране на различни бактериални видове, които могат да използват установени и лесни за използване протоколи и софтуер за анализ.

„Това е промяна в играта за създаване на мобилен ДНК атлас“, каза Силбърг, професор по бионауки и професор по биоинженерство в Stewart Memorial. „Вместо да записваме информация на случаен принцип в бактериална ДНК, която е постоянна и трудна за четене, ние записваме информация в регион на РНК, който е силно запазен в дървото на живота, което прави информацията евтина и лесна за четене на глас.“

За да постигнат това, изследователите са проектирали малка рибозимна РНК молекула (наричана още каталитична РНК), която запазва уникален баркод на 16S rRNA по време на генния трансфер. Тази РНК на Cat е въведена в моделна микробна общност с помощта на конюгативни плазмиди, които са естествено срещащи се генни носители в бактериите.

Експериментът включваше въвеждането на тези баркодиращи плазмиди в донорни бактерии на E. coli, които след това прехвърлиха своя генетичен материал на различни микроби в общност от отпадъчни води. След 24 часа изследователите извличат обща РНК и секвенират баркодираната 16S rRNA.

„Това, което видяхме, беше забележително“, каза Стадлер, доцент по гражданско и екологично инженерство. „Приблизително половината от бактериалните таксони в общността на отпадъчните води могат да съдържат плазмидите, което ни позволява да създадем подробна карта на хоризонталните събития на генен трансфер.“

Проучването също така показа, че RAM може да се използва за измерване на разликите в диапазоните на гостоприемниците между видовете ДНК плазмиди. С десетки хиляди различни ДНК плазмиди в естествени екологични микроби, RAM предоставя прост и евтин метод за разбиране на връзката между плазмидите и техните гостоприемници.

„RAM може да се използва за проследяване на движението на множество генетични елементи в цялата микробна общност“, каза Чапел. "Това ни позволи да проследим движението на множество плазмиди в един експеримент и може да бъде разширено, за да изследваме динамиката на плазмидния трансфер в микробните общности и взаимодействията между мобилните генетични елементи."

Методът RAM има потенциално широкообхватни приложения в медицината, биотехнологиите и науките за околната среда. Един от най-належащите проблеми е антибиотичната резистентност, тъй като проследяването на разпространението на резистентни гени и отпадъчни води може да помогне за прогнозиране и предотвратяване на огнища на резистентни към лекарства инфекции. В областта на биоремедиацията и управлението на отпадъците тази технология може да разработи микробиоми, които ефективно разграждат замърсителите, като същевременно гарантират запазването на полезните генетични модификации. В синтетичната биология и биотехнологиите способността да се произвеждат микробиоми за специфични задачи като производството на биогорива или фармацевтични продукти също разчита на безопасен и контролиран генен трансфер.

„Потенциалът тук е огромен“, каза Щадлер. "Вече имаме начин да проучим как бактериите споделят гени в естественото си местообитание, без да се налага да ги отглеждаме в лаборатория. Това отваря вратата към нова вълна от изследвания на микроби и приложения в синтетичната биология."

В бъдеще тази техника на баркодиране може да бъде разширена и приложена към други форми на превключване на гени, като трансдукция (чрез бактериофаги) и трансформация (директно усвояване на ДНК). Освен това, оптимизирането на стабилността на Cat RNA и увеличаването на броя на уникалните баркодове може да позволи още по-фина разделителна способност при проследяване на микробни взаимодействия.

„С по-нататъшно развитие баркодирането на РНК може да се превърне в универсален инструмент за съхраняване на информация в екологичните общности извън допълнителните микробни поведения“, каза Силберг.

източници: