Nová metoda čárového kódu RNA sleduje přenos genů v mikrobiálních komunitách

Nová metoda čárového kódu RNA sleduje přenos genů v mikrobiálních komunitách

V mikroskopickém světě bakterií je přenos genů mocným mechanismem, který může měnit buněčnou funkci, podporovat rezistenci vůči antibiotikům a dokonce utvářet celé ekosystémy. Nyní interdisciplinární skupina výzkumníků z Rice University vyvinula inovativní metodu „čárového kódování“ RNA pro sledování těchto genetických výměn v mikrobiálních komunitách a poskytuje nové poznatky o způsobu, jakým se geny pohybují mezi druhy. Výsledky byly nedávno zveřejněny vPřírodní biotechnologie.

Již dlouho víme, že bakterie vyměňují geny způsoby, které mají dopad na lidské zdraví, biotechnologii a stabilitu životního prostředí. Zmapování, které mikroby se účastní přenosu genů, však bylo náročné. Tato nová technika nám poskytuje přímý způsob, jak zaznamenat tyto informace do samotných buněk. “

James Chappell, docent biologických věd a bioinženýrství

Tradiční metody pro studium přenosu genů zahrnují označování mobilních genetických prvků fluorescenčními proteiny nebo geny rezistence na antibiotika. I když jsou tyto přístupy účinné, vyžadují izolaci a růst mikrobů v laboratoři, což omezuje jejich použití ve složitých prostředích.

K řešení této výzvy vytvořil interdisciplinární tým z výzkumných laboratoří Rice's Chappell, Joff Silberg a Lauren Stadler nový nástroj syntetické biologie. Tento tým tvořili Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu a August Staubus.

Nová metoda rýžového týmu, nazvaná modifikace adresování RNA (RAM), překonává tyto překážky pomocí syntetické katalytické RNA (Cat-RNA) k „čárovému kódu“ ribozomální RNA (rRNA) v živých buňkách.

Zapsáním genetické informace přímo do 16S rRNA – molekuly běžně se vyskytující v bakteriích – byli vědci schopni sledovat, které mikroby získaly cizí DNA, aniž by narušily jejich přirozené prostředí. Jako cílené sekvenování 16S rRNA je tato metoda také zlatým standardem pro identifikaci různých bakteriálních druhů, které mohou využívat zavedené a snadno použitelné protokoly a analytický software.

"Toto je změna hry pro vytvoření mobilního atlasu DNA," řekl Silberg, profesor biologických věd Stewart Memorial a profesor bioinženýrství. "Namísto náhodného zápisu informací do bakteriální DNA, která je trvalá a pracná na čtení, zapisujeme informace do oblasti RNA, která je vysoce konzervovaná v celém stromu života, takže informace jsou levné a snadno čitelné nahlas."

Aby toho dosáhli, vědci navrhli malou molekulu RNA na bázi ribozymu (také nazývanou katalytická RNA), která si během přenosu genu zachovala jedinečný čárový kód 16S rRNA. Tato Cat RNA byla zavedena do modelové mikrobiální komunity pomocí konjugativních plazmidů, které jsou přirozeně se vyskytujícími genovými nosiči v bakteriích.

Experiment zahrnoval zavedení těchto plazmidů s čárovým kódem do dárcových bakterií E. coli, které pak přenesly svůj genetický materiál na různé mikroby v komunitě odpadních vod. Po 24 hodinách výzkumníci extrahovali celkovou RNA a sekvenovali 16S rRNA s čárovým kódem.

"To, co jsme viděli, bylo pozoruhodné," řekl Stadler, docent stavebního a environmentálního inženýrství. "Přibližně polovina bakteriálních taxonů v komunitě odpadních vod by mohla skrývat plazmidy, což nám umožňuje vytvořit podrobnou mapu událostí horizontálního přenosu genů."

Studie také ukázala, že RAM lze použít k měření rozdílů v rozmezí hostitelů mezi typy DNA plazmidů. S desítkami tisíc různých DNA plazmidů v přirozených mikrobech z prostředí poskytuje RAM jednoduchou a levnou metodu k pochopení vztahu mezi plazmidy a jejich hostiteli.

"RAM lze použít ke sledování pohybu více genetických prvků v celé mikrobiální komunitě," řekl Chappell. "To nám umožnilo sledovat pohyb více plazmidů v jediném experimentu a mohlo by být rozšířeno o studium dynamiky přenosu plazmidů v mikrobiálních komunitách a interakcí mezi mobilními genetickými prvky."

Metoda RAM má potenciálně široké uplatnění v medicíně, biotechnologii a environmentálních vědách. Jedním z nejnaléhavějších problémů je rezistence na antibiotika, protože sledování šíření genů rezistence a odpadních vod by mohlo pomoci předvídat a předcházet propuknutí infekcí rezistentních vůči lékům. V oblasti bioremediace a nakládání s odpady může tato technologie vyvinout mikrobiomy, které účinně rozkládají znečišťující látky a zároveň zajišťují zachování prospěšných genetických modifikací. V syntetické biologii a biotechnologii se schopnost produkovat mikrobiomy pro specifické úkoly, jako je výroba biopaliv nebo léčiv, také opírá o bezpečný a kontrolovaný přenos genů.

"Potenciál je zde obrovský," řekl Stadler. "Nyní máme způsob, jak studovat, jak bakterie sdílejí geny ve svém přirozeném prostředí, aniž bychom je museli pěstovat v laboratoři. To otevírá dveře nové vlně mikrobiálního výzkumu a aplikací syntetické biologie."

V budoucnu by tato technika čárových kódů mohla být rozšířena a aplikována na jiné formy genového přepínání, jako je transdukce (prostřednictvím bakteriofágů) a transformace (přímé vychytávání DNA). Navíc optimalizace stability Cat RNA a zvýšení počtu jedinečných čárových kódů může umožnit ještě jemnější rozlišení při sledování mikrobiálních interakcí.

"S dalším vývojem by se čárové kódy RNA mohly stát univerzálním nástrojem pro ukládání informací v environmentálních komunitách nad rámec dalšího mikrobiálního chování," řekl Silberg.

Zdroje: