Uus RNA vöötkoodimismeetod jälgib geeniülekannet mikroobide kogukondades

Uus RNA vöötkoodimismeetod jälgib geeniülekannet mikroobide kogukondades

Bakterite mikroskoopilises maailmas on geeniülekanne võimas mehhanism, mis võib muuta raku funktsiooni, soodustada antibiootikumiresistentsust ja isegi kujundada terveid ökosüsteeme. Nüüd on Rice'i ülikooli interdistsiplinaarne teadlaste rühm välja töötanud uuendusliku RNA vöötkoodi meetodi, et jälgida neid geneetilisi vahetusi mikroobikooslustes, pakkudes uusi teadmisi geenide liikumisest liikide vahel. Tulemused avaldati hiljuti aastalLooduslik biotehnoloogia.

Oleme juba ammu teadnud, et bakterid vahetavad geene viisil, mis mõjutab inimeste tervist, biotehnoloogiat ja keskkonna stabiilsust. Geeniülekandes osalevate mikroobide kaardistamine on aga olnud keeruline. See uus tehnika annab meile otsese võimaluse seda teavet rakkudes endas salvestada. “

James Chappell, bioteaduste ja biotehnoloogia dotsent

Traditsioonilised meetodid geeniülekande uurimiseks hõlmavad mobiilsete geneetiliste elementide märgistamist fluorestseeruvate valkude või antibiootikumiresistentsuse geenidega. Kuigi need lähenemisviisid on tõhusad, nõuavad need mikroobide isoleerimist ja kasvatamist laboris, piirates nende kasutamist keerukates keskkondades.

Selle väljakutse lahendamiseks on Rice's Chappelli, Joff Silbergi ja Lauren Stadleri uurimislaborite interdistsiplinaarne meeskond loonud uue sünteetilise bioloogia tööriista. Sellesse meeskonda kuulusid Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu ja August Staubus.

Riisirühma uus meetod, mida nimetatakse RNA-aadressi muutmiseks (RAM), ületab need tõkked, kasutades sünteetilist katalüütilist RNA-d (Cat-RNA), et "vöötkoodida" ribosomaalset RNA-d (rRNA) elusrakkudes.

Kirjutades geneetilise teabe otse 16S rRNA-sse - molekuli, mida tavaliselt leidub bakterites -, suutsid teadlased jälgida, millised mikroobid omandasid võõra DNA, ilma et see häiriks nende looduslikku keskkonda. 16S rRNA sihipärase sekveneerimisena on see meetod ka kuldstandard erinevate bakteriliikide tuvastamiseks, mis võivad kasutada väljakujunenud ja hõlpsasti kasutatavaid protokolle ja analüüsitarkvara.

"See on mobiilse DNA atlase loomisel mängumuutus," ütles Stewarti bioteaduste memoriaalprofessor ja bioinseneri professor Silberg. "Selle asemel, et kirjutada teavet juhuslikult bakteri DNA-sse, mille lugemine on püsiv ja töömahukas, kirjutame teavet RNA piirkonda, mis on kogu elupuu jooksul väga konserveerunud, muutes teabe odavaks ja hõlpsasti valjult loetavaks."

Selle saavutamiseks kavandasid teadlased väikese ribosüümipõhise RNA molekuli (nimetatakse ka katalüütiliseks RNA-ks), mis säilitas geeniülekande ajal ainulaadse 16S rRNA vöötkoodi. See kassi RNA viidi mikroobide mudelkooslusse, kasutades konjugatiivseid plasmiide, mis on bakterites looduslikult esinevad geenikandjad.

Katse hõlmas nende vöötkoodide plasmiidide sisestamist E. coli doonorbakteritesse, mis seejärel kandsid oma geneetilise materjali reoveekogukonna erinevatele mikroobidele. 24 tunni pärast eraldasid teadlased kogu RNA ja sekveneerisid vöötkoodiga 16S rRNA.

"See, mida me nägime, oli tähelepanuväärne," ütles Stadler, tsiviil- ja keskkonnatehnika dotsent. "Umbes pooled reoveekogukonna bakteritaksonitest võiksid sisaldada plasmiide, mis võimaldab meil luua üksikasjaliku kaardi horisontaalsetest geeniülekande sündmustest."

Uuring näitas ka, et RAM-i saab kasutada DNA plasmiiditüüpide peremeesorganismivahemike erinevuste mõõtmiseks. Kuna looduslikes keskkonnamikroobides on kümneid tuhandeid erinevaid DNA plasmiide, pakub RAM lihtsat ja odavat meetodit plasmiidide ja nende peremeeste vahelise seose mõistmiseks.

"RAM-i saab kasutada mitme geneetilise elemendi liikumise jälgimiseks kogu mikroobide kogukonnas, " ütles Chappell. "See võimaldas meil jälgida mitme plasmiidi liikumist ühes katses ja seda sai laiendada, et uurida plasmiidide ülekande dünaamikat mikroobikooslustes ja mobiilsete geneetiliste elementide vahelisi interaktsioone."

RAM-meetodil on potentsiaalselt laialdased rakendused meditsiinis, biotehnoloogias ja keskkonnateadustes. Üks pakilisemaid probleeme on antibiootikumiresistentsus, kuna resistentsusgeenide ja reovee leviku jälgimine võib aidata ennustada ja ära hoida ravimiresistentsete infektsioonide puhanguid. Bioremediatsiooni ja jäätmekäitluse valdkonnas saab selle tehnoloogia abil välja töötada mikrobioome, mis lagundavad tõhusalt saasteaineid, tagades samas kasulike geneetiliste modifikatsioonide säilimise. Sünteetilises bioloogias ja biotehnoloogias sõltub mikrobioomide tootmise võime konkreetsete ülesannete jaoks, nagu biokütuste või ravimite tootmine, samuti ohutul ja kontrollitud geeniülekandel.

"Siinne potentsiaal on tohutu," ütles Stadler. "Nüüd on meil võimalus uurida, kuidas bakterid oma loomulikus elupaigas geene jagavad, ilma et peaksime neid laboris kasvatama. See avab ukse mikroobiuuringute ja sünteetilise bioloogia rakenduste uuele lainele."

Tulevikus võiks seda vöötkoodimistehnikat laiendada ja rakendada ka muudele geenivahetuse vormidele, nagu transduktsioon (bakteriofaagide kaudu) ja transformatsioon (otsene DNA omastamine). Lisaks võib Cat RNA stabiilsuse optimeerimine ja unikaalsete vöötkoodide arvu suurendamine võimaldada mikroobide interaktsioonide jälgimisel veelgi peenemat eraldusvõimet.

"Edasise arenguga võib RNA vöötkoodist saada universaalne vahend teabe salvestamiseks keskkonnakogukondades peale täiendavate mikroobide käitumise," ütles Silberg.

Allikad: