Η νέα μέθοδος barcoding RNA παρακολουθεί τη μεταφορά γονιδίων σε μικροβιακές κοινότητες

Η νέα μέθοδος barcoding RNA παρακολουθεί τη μεταφορά γονιδίων σε μικροβιακές κοινότητες

Στον μικροσκοπικό κόσμο των βακτηρίων, η μεταφορά γονιδίων είναι ένας ισχυρός μηχανισμός που μπορεί να αλλάξει την κυτταρική λειτουργία, να προωθήσει την αντίσταση στα αντιβιοτικά και ακόμη και να διαμορφώσει ολόκληρα οικοσυστήματα. Τώρα, μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Rice έχει αναπτύξει μια καινοτόμο μέθοδο «barcoding» RNA για την παρακολούθηση αυτών των γενετικών ανταλλαγών σε μικροβιακές κοινότητες, παρέχοντας νέες γνώσεις για τον τρόπο με τον οποίο τα γονίδια κινούνται μεταξύ των ειδών. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στοΦυσική βιοτεχνολογία.

Γνωρίζουμε από καιρό ότι τα βακτήρια ανταλλάσσουν γονίδια με τρόπους που επηρεάζουν την ανθρώπινη υγεία, τη βιοτεχνολογία και την περιβαλλοντική σταθερότητα. Ωστόσο, η χαρτογράφηση των μικροβίων που εμπλέκονται στη μεταφορά γονιδίων ήταν δύσκολη. Αυτή η νέα τεχνική μας δίνει έναν άμεσο τρόπο να καταγράψουμε αυτές τις πληροφορίες στα ίδια τα κύτταρα. "

James Chappell, Αναπληρωτής Καθηγητής Βιοεπιστημών και Βιομηχανικής

Οι παραδοσιακές μέθοδοι για τη μελέτη της μεταφοράς γονιδίων περιλαμβάνουν την επισήμανση κινητών γενετικών στοιχείων με φθορίζουσες πρωτεΐνες ή γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά. Αν και είναι αποτελεσματικές, αυτές οι προσεγγίσεις απαιτούν απομόνωση και ανάπτυξη μικροβίων σε εργαστήριο, περιορίζοντας τη χρήση τους σε πολύπλοκα περιβάλλοντα.

Για να αντιμετωπίσει αυτή την πρόκληση, μια διεπιστημονική ομάδα από τα ερευνητικά εργαστήρια του Rice's Chappell, Joff Silberg και Lauren Stadler δημιούργησε ένα νέο εργαλείο συνθετικής βιολογίας. Αυτή η ομάδα αποτελούνταν από τους Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu και August Staubus.

Η νέα μέθοδος της ομάδας του ρυζιού, που ονομάζεται τροποποίηση RNA-addressing (RAM), ξεπερνά αυτά τα εμπόδια χρησιμοποιώντας ένα συνθετικό καταλυτικό RNA (Cat-RNA) για να "κωδικοποιήσει" το ριβοσωματικό RNA (rRNA) σε ζωντανά κύτταρα.

Γράφοντας γενετικές πληροφορίες απευθείας στο 16S rRNA - ένα μόριο που βρίσκεται συνήθως στα βακτήρια - οι ερευνητές μπόρεσαν να παρακολουθήσουν ποια μικρόβια απέκτησαν ξένο DNA χωρίς να διαταράξουν το φυσικό τους περιβάλλον. Ως στοχευμένη αλληλουχία του 16S rRNA, αυτή η μέθοδος είναι επίσης το χρυσό πρότυπο για τον εντοπισμό διαφόρων βακτηριακών ειδών που μπορούν να χρησιμοποιήσουν καθιερωμένα και εύχρηστα πρωτόκολλα και λογισμικό ανάλυσης.

«Αυτό αλλάζει το παιχνίδι για τη δημιουργία ενός άτλαντα DNA για κινητά», δήλωσε ο Silberg, ο καθηγητής Βιοεπιστημών στο Stewart Memorial και καθηγητής βιομηχανικής. «Αντί να γράφουμε πληροφορίες τυχαία στο βακτηριακό DNA, το οποίο είναι επίμονο και επίπονο στην ανάγνωση, γράφουμε πληροφορίες σε μια περιοχή του RNA που διατηρείται σε μεγάλο βαθμό σε όλο το δέντρο της ζωής, καθιστώντας τις πληροφορίες φθηνές και εύκολο να διαβαστούν δυνατά».

Για να το επιτύχουν αυτό, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα μικρό μόριο RNA που βασίζεται σε ριβοένζυμα (ονομάζεται επίσης καταλυτικό RNA) που διατηρούσε έναν μοναδικό γραμμωτό κώδικα του 16S rRNA κατά τη μεταφορά γονιδίων. Αυτό το RNA Cat εισήχθη σε μια μικροβιακή κοινότητα μοντέλου χρησιμοποιώντας συζευκτικά πλασμίδια, τα οποία είναι φυσικοί φορείς γονιδίων στα βακτήρια.

Το πείραμα περιελάμβανε την εισαγωγή αυτών των πλασμιδίων γραμμικού κώδικα σε βακτήρια δότες E. coli, τα οποία στη συνέχεια μετέφεραν το γενετικό τους υλικό σε διάφορα μικρόβια σε μια κοινότητα λυμάτων. Μετά από 24 ώρες, οι ερευνητές εξήγαγαν ολικό RNA και ανέλυσαν την αλληλουχία του γραμμωτού κωδικού 16S rRNA.

«Αυτό που είδαμε ήταν αξιοσημείωτο», είπε ο Stadler, αναπληρωτής καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής. «Περίπου το ήμισυ των βακτηριακών κατηγοριών στην κοινότητα των λυμάτων θα μπορούσε να φιλοξενήσει τα πλασμίδια, επιτρέποντάς μας να δημιουργήσουμε έναν λεπτομερή χάρτη οριζόντιων γεγονότων μεταφοράς γονιδίων».

Η μελέτη έδειξε επίσης ότι η RAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση των διαφορών στις περιοχές ξενιστών μεταξύ των τύπων πλασμιδίων DNA. Με δεκάδες χιλιάδες διαφορετικά πλασμίδια DNA σε φυσικά μικρόβια του περιβάλλοντος, η RAM παρέχει μια απλή και φθηνή μέθοδο για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ των πλασμιδίων και των ξενιστών τους.

«Η RAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της κίνησης πολλαπλών γενετικών στοιχείων σε μια ολόκληρη μικροβιακή κοινότητα», είπε ο Chappell. «Αυτό μας επέτρεψε να παρακολουθούμε την κίνηση πολλαπλών πλασμιδίων σε ένα μόνο πείραμα και θα μπορούσε να επεκταθεί για να μελετήσουμε τη δυναμική της μεταφοράς πλασμιδίων σε μικροβιακές κοινότητες και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ κινητών γενετικών στοιχείων».

Η μέθοδος RAM έχει δυνητικά ευρείες εφαρμογές στην ιατρική, τη βιοτεχνολογία και τις περιβαλλοντικές επιστήμες. Μία από τις πιο πιεστικές ανησυχίες είναι η αντίσταση στα αντιβιοτικά, καθώς η παρακολούθηση της εξάπλωσης των γονιδίων ανθεκτικότητας και των λυμάτων θα μπορούσε να βοηθήσει στην πρόβλεψη και στην πρόληψη εστιών λοιμώξεων ανθεκτικών στα φάρμακα. Στον τομέα της βιοαποκατάστασης και της διαχείρισης απορριμμάτων, αυτή η τεχνολογία μπορεί να αναπτύξει μικροβιώματα που διασπούν αποτελεσματικά τους ρύπους, διασφαλίζοντας παράλληλα τη διατήρηση των ευεργετικών γενετικών τροποποιήσεων. Στη συνθετική βιολογία και τη βιοτεχνολογία, η ικανότητα παραγωγής μικροβιωμάτων για συγκεκριμένες εργασίες όπως η παραγωγή βιοκαυσίμων ή φαρμακευτικών προϊόντων βασίζεται επίσης στην ασφαλή και ελεγχόμενη μεταφορά γονιδίων.

«Οι δυνατότητες εδώ είναι τεράστιες», είπε ο Stadler. "Έχουμε τώρα έναν τρόπο να μελετήσουμε πώς τα βακτήρια μοιράζονται γονίδια στο φυσικό τους περιβάλλον χωρίς να χρειάζεται να τα αναπτύξουμε σε εργαστήριο. Αυτό ανοίγει την πόρτα σε ένα νέο κύμα μικροβιακής έρευνας και εφαρμογών συνθετικής βιολογίας."

Στο μέλλον, αυτή η τεχνική barcoding θα μπορούσε επίσης να επεκταθεί και να εφαρμοστεί σε άλλες μορφές γονιδιακής εναλλαγής, όπως η μεταγωγή (μέσω βακτηριοφάγων) και ο μετασχηματισμός (άμεση πρόσληψη DNA). Επιπλέον, η βελτιστοποίηση της σταθερότητας του RNA Cat και η αύξηση του αριθμού των μοναδικών γραμμωτών κωδίκων μπορεί να επιτρέψει ακόμη καλύτερη ανάλυση κατά την παρακολούθηση των μικροβιακών αλληλεπιδράσεων.

«Με περαιτέρω ανάπτυξη, το barcoding RNA θα μπορούσε να γίνει ένα παγκόσμιο εργαλείο για την αποθήκευση πληροφοριών σε περιβαλλοντικές κοινότητες πέρα ​​από πρόσθετες μικροβιακές συμπεριφορές», είπε ο Silberg.

Πηγές: