Ny RNA-stregkodningsmetode sporer genoverførsel i mikrobielle samfund

Ny RNA-stregkodningsmetode sporer genoverførsel i mikrobielle samfund

I bakteriernes mikroskopiske verden er genoverførsel en kraftfuld mekanisme, der kan ændre cellulær funktion, fremme antibiotikaresistens og endda forme hele økosystemer. Nu har en tværfaglig gruppe af forskere ved Rice University udviklet en innovativ RNA "stregkodningsmetode" til at spore disse genetiske udvekslinger i mikrobielle samfund, hvilket giver ny indsigt i den måde, gener bevæger sig på tværs af arter. Resultaterne blev for nylig offentliggjort iNaturlig bioteknologi.

Vi har længe vidst, at bakterier udveksler gener på måder, der påvirker menneskers sundhed, bioteknologi og miljøstabilitet. Det har dog været en udfordring at kortlægge hvilke mikrober der er involveret i genoverførsel. Denne nye teknik giver os en direkte måde at registrere denne information i selve cellerne. “

James Chappell, lektor i biovidenskab og bioteknik

Traditionelle metoder til at studere genoverførsel involverer mærkning af mobile genetiske elementer med fluorescerende proteiner eller antibiotikaresistensgener. Selvom de er effektive, kræver disse tilgange isolering og vækst af mikrober i et laboratorium, hvilket begrænser deres anvendelse i komplekse miljøer.

For at løse denne udfordring har et tværfagligt team fra Rice's Chappell, Joff Silberg og Lauren Stadler forskningslaboratorier skabt et nyt syntetisk biologisk værktøj. Dette hold bestod af Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu og August Staubus.

Risholdets nye metode, kaldet RNA-adresseringsmodifikation (RAM), kommer uden om disse forhindringer ved at bruge et syntetisk katalytisk RNA (Cat-RNA) til at "stregkode" ribosomalt RNA (rRNA) i levende celler.

Ved at skrive genetisk information direkte ind i 16S rRNA - et molekyle, der almindeligvis findes i bakterier - var forskerne i stand til at spore, hvilke mikrober der erhvervede fremmed DNA uden at forstyrre deres naturlige miljø. Som en målrettet sekventering af 16S rRNA er denne metode også guldstandarden til at identificere forskellige bakteriearter, der kan bruge etablerede og brugervenlige protokoller og analysesoftware.

"Dette er en game-changer for at skabe et mobilt DNA-atlas," sagde Silberg, Stewart Memorial Professor of Biosciences og professor i bioteknik. "I stedet for at skrive information tilfældigt i bakterielt DNA, som er vedvarende og besværligt at læse, skriver vi information i en region af RNA, der er meget bevaret i hele livets træ, hvilket gør informationen billig og nem at læse højt."

For at opnå dette designede forskerne et lille ribozym-baseret RNA-molekyle (også kaldet katalytisk RNA), der bibeholdt en unik stregkode af 16S rRNA under genoverførsel. Dette Cat RNA blev introduceret i et modelmikrobielt samfund ved hjælp af konjugative plasmider, som er naturligt forekommende genbærere i bakterier.

Eksperimentet involverede at introducere disse stregkodeplasmider i E. coli-donorbakterier, som derefter overførte deres genetiske materiale til forskellige mikrober i et spildevandssamfund. Efter 24 timer ekstraherede forskerne totalt RNA og sekventerede det stregkodede 16S rRNA.

"Det, vi så, var bemærkelsesværdigt," sagde Stadler, en lektor i civil- og miljøteknik. "Omtrent halvdelen af ​​de bakterielle taxaer i spildevandssamfundet kunne rumme plasmiderne, hvilket giver os mulighed for at skabe et detaljeret kort over horisontale genoverførselsbegivenheder."

Undersøgelsen viste også, at RAM kan bruges til at måle forskellene i værtsintervaller mellem DNA-plasmidtyper. Med titusindvis af forskellige DNA-plasmider i naturlige miljømikrober giver RAM en enkel og billig metode til at forstå forholdet mellem plasmider og deres værter.

"RAM kan bruges til at spore bevægelsen af ​​flere genetiske elementer gennem et helt mikrobielt samfund," sagde Chappell. "Dette gjorde det muligt for os at spore bevægelsen af ​​flere plasmider i et enkelt eksperiment og kunne udvides til at studere dynamikken i plasmidoverførsel i mikrobielle samfund og interaktioner mellem mobile genetiske elementer."

RAM-metoden har potentielt vidtfavnende anvendelser inden for medicin, bioteknologi og miljøvidenskab. En af de mest presserende bekymringer er antibiotikaresistens, da sporing af spredningen af ​​resistensgener og spildevand kan hjælpe med at forudsige og forhindre udbrud af lægemiddelresistente infektioner. Inden for bioremediering og affaldshåndtering kan denne teknologi udvikle mikrobiomer, der effektivt nedbryder forurenende stoffer og samtidig sikre, at gavnlige genetiske modifikationer bevares. Inden for syntetisk biologi og bioteknologi er evnen til at producere mikrobiomer til specifikke opgaver såsom produktion af biobrændstoffer eller lægemidler også afhængig af sikker og kontrolleret genoverførsel.

"Potentialet her er enormt," sagde Stadler. "Vi har nu en måde at studere, hvordan bakterier deler gener i deres naturlige habitat uden at skulle dyrke dem i et laboratorium. Dette åbner døren til en ny bølge af mikrobiel forskning og syntetisk biologi."

I fremtiden vil denne stregkodningsteknik også kunne udvides og anvendes til andre former for genskifte såsom transduktion (via bakteriofager) og transformation (direkte DNA-optagelse). Desuden kan optimering af Cat RNA-stabilitet og forøgelse af antallet af unikke stregkoder muliggøre endnu finere opløsning ved sporing af mikrobielle interaktioner.

"Med yderligere udvikling kan RNA-stregkodning blive et universelt værktøj til lagring af information i miljøsamfund ud over yderligere mikrobiel adfærd," sagde Silberg.

Kilder: