El nuevo método de códigos de barras de ARN rastrea la transferencia de genes en comunidades microbianas

El nuevo método de códigos de barras de ARN rastrea la transferencia de genes en comunidades microbianas

En el mundo microscópico de las bacterias, la transferencia de genes es un mecanismo poderoso que puede alterar la función celular, promover la resistencia a los antibióticos e incluso dar forma a ecosistemas enteros. Ahora, un grupo interdisciplinario de investigadores de la Universidad Rice ha desarrollado un innovador método de “código de barras” de ARN para rastrear estos intercambios genéticos en comunidades microbianas, proporcionando nuevos conocimientos sobre la forma en que los genes se mueven entre especies. Los resultados fueron publicados recientemente enBiotecnología natural.

Hace tiempo que sabemos que las bacterias intercambian genes de maneras que afectan la salud humana, la biotecnología y la estabilidad ambiental. Sin embargo, mapear qué microbios participan en la transferencia de genes ha sido un desafío. Esta nueva técnica nos brinda una forma directa de registrar esta información en las propias células. “

James Chappell, profesor asociado de biociencias y bioingeniería

Los métodos tradicionales para estudiar la transferencia de genes implican etiquetar elementos genéticos móviles con proteínas fluorescentes o genes de resistencia a antibióticos. Si bien son eficaces, estos enfoques requieren el aislamiento y el crecimiento de microbios en un laboratorio, lo que limita su uso en entornos complejos.

Para abordar este desafío, un equipo interdisciplinario de los laboratorios de investigación Chappell, Joff Silberg y Lauren Stadler de Rice ha creado una nueva herramienta de biología sintética. Este equipo estaba formado por Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu y August Staubus.

El nuevo método del equipo de Rice, llamado modificación de direccionamiento de ARN (RAM), supera estos obstáculos mediante el uso de un ARN catalítico sintético (Cat-RNA) para "codificar códigos de barras" en el ARN ribosómico (rRNA) en células vivas.

Al escribir información genética directamente en el ARNr 16S, una molécula que se encuentra comúnmente en las bacterias, los investigadores pudieron rastrear qué microbios adquirieron ADN extraño sin alterar su entorno natural. Como secuenciación dirigida de ARNr 16S, este método también es el estándar de oro para identificar diversas especies bacterianas que pueden utilizar protocolos y software de análisis establecidos y fáciles de usar.

"Esto es un punto de inflexión para la creación de un atlas de ADN móvil", dijo Silberg, profesor de biociencias y profesor de bioingeniería en Stewart Memorial. "En lugar de escribir información al azar en el ADN bacteriano, que es persistente y laborioso de leer, escribimos información en una región del ARN que está altamente conservada en todo el árbol de la vida, lo que hace que la información sea barata y fácil de leer en voz alta".

Para lograrlo, los investigadores diseñaron una pequeña molécula de ARN basada en ribozima (también llamada ARN catalítico) que conservaba un código de barras único de ARNr 16S durante la transferencia de genes. Este ARN Cat se introdujo en una comunidad microbiana modelo utilizando plásmidos conjugativos, que son portadores de genes naturales en las bacterias.

El experimento implicó introducir estos plásmidos de códigos de barras en bacterias donantes de E. coli, que luego transfirieron su material genético a varios microbios en una comunidad de aguas residuales. Después de 24 horas, los investigadores extrajeron el ARN total y secuenciaron el ARNr 16S con código de barras.

"Lo que vimos fue extraordinario", dijo Stadler, profesor asociado de ingeniería civil y ambiental. "Aproximadamente la mitad de los taxones bacterianos en la comunidad de aguas residuales podrían albergar plásmidos, lo que nos permitirá crear un mapa detallado de los eventos de transferencia horizontal de genes".

El estudio también demostró que la RAM se puede utilizar para medir las diferencias en los rangos de huéspedes entre los tipos de plásmidos de ADN. Con decenas de miles de plásmidos de ADN diferentes en microbios ambientales naturales, la RAM proporciona un método sencillo y económico para comprender la relación entre los plásmidos y sus huéspedes.

"La RAM se puede utilizar para rastrear el movimiento de múltiples elementos genéticos en toda una comunidad microbiana", dijo Chappell. "Esto nos permitió rastrear el movimiento de múltiples plásmidos en un solo experimento y podría ampliarse para estudiar la dinámica de la transferencia de plásmidos en comunidades microbianas y las interacciones entre elementos genéticos móviles".

El método RAM tiene aplicaciones potencialmente amplias en medicina, biotecnología y ciencias ambientales. Una de las preocupaciones más apremiantes es la resistencia a los antibióticos, ya que rastrear la propagación de genes de resistencia y aguas residuales podría ayudar a predecir y prevenir brotes de infecciones resistentes a los medicamentos. En el campo de la biorremediación y la gestión de residuos, esta tecnología puede desarrollar microbiomas que descompongan eficazmente los contaminantes y al mismo tiempo garanticen la conservación de modificaciones genéticas beneficiosas. En biología sintética y biotecnología, la capacidad de producir microbiomas para tareas específicas como la producción de biocombustibles o productos farmacéuticos también depende de una transferencia genética segura y controlada.

"El potencial aquí es enorme", afirmó Stadler. "Ahora tenemos una manera de estudiar cómo las bacterias comparten genes en su hábitat natural sin tener que cultivarlos en un laboratorio. Esto abre la puerta a una nueva ola de investigación microbiana y aplicaciones de biología sintética".

En el futuro, esta técnica de códigos de barras también podría ampliarse y aplicarse a otras formas de cambio de genes, como la transducción (a través de bacteriófagos) y la transformación (captación directa de ADN). Además, optimizar la estabilidad del Cat RNA y aumentar la cantidad de códigos de barras únicos puede permitir una resolución aún más fina al rastrear las interacciones microbianas.

"Con un mayor desarrollo, los códigos de barras de ARN podrían convertirse en una herramienta universal para almacenar información en comunidades ambientales más allá de comportamientos microbianos adicionales", dijo Silberg.

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