Une nouvelle méthode de codage à barres d’ARN suit le transfert de gènes dans les communautés microbiennes

Une nouvelle méthode de codage à barres d’ARN suit le transfert de gènes dans les communautés microbiennes

Dans le monde microscopique des bactéries, le transfert de gènes est un mécanisme puissant qui peut altérer la fonction cellulaire, favoriser la résistance aux antibiotiques et même façonner des écosystèmes entiers. Aujourd’hui, un groupe interdisciplinaire de chercheurs de l’Université Rice a développé une méthode innovante de « code-barres » d’ARN pour suivre ces échanges génétiques dans les communautés microbiennes, fournissant ainsi de nouvelles informations sur la manière dont les gènes se déplacent d’une espèce à l’autre. Les résultats ont été récemment publiés dansBiotechnologie naturelle.

Nous savons depuis longtemps que les bactéries échangent leurs gènes d’une manière qui a un impact sur la santé humaine, la biotechnologie et la stabilité de l’environnement. Cependant, la cartographie des microbes impliqués dans le transfert de gènes s’est avérée difficile. Cette nouvelle technique nous offre un moyen direct d’enregistrer ces informations dans les cellules elles-mêmes. "

James Chappell, professeur agrégé de biosciences et de bioingénierie

Les méthodes traditionnelles d’étude du transfert de gènes consistent à marquer des éléments génétiques mobiles avec des protéines fluorescentes ou des gènes de résistance aux antibiotiques. Bien qu’efficaces, ces approches nécessitent l’isolement et la croissance de microbes en laboratoire, limitant ainsi leur utilisation dans des environnements complexes.

Pour relever ce défi, une équipe interdisciplinaire des laboratoires de recherche Rice's Chappell, Joff Silberg et Lauren Stadler a créé un nouvel outil de biologie synthétique. Cette équipe était composée de Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu et August Staubus.

La nouvelle méthode de l'équipe Rice, appelée modification d'adressage de l'ARN (RAM), contourne ces obstacles en utilisant un ARN catalytique synthétique (Cat-RNA) pour « coder à barres » l'ARN ribosomal (ARNr) dans les cellules vivantes.

En écrivant les informations génétiques directement dans l’ARNr 16S, une molécule que l’on trouve couramment chez les bactéries, les chercheurs ont pu déterminer quels microbes ont acquis de l’ADN étranger sans perturber leur environnement naturel. En tant que séquençage ciblé de l’ARNr 16S, cette méthode constitue également la référence en matière d’identification de diverses espèces bactériennes pouvant utiliser des protocoles et des logiciels d’analyse établis et faciles à utiliser.

"Cela change la donne pour la création d'un atlas mobile d'ADN", a déclaré Silberg, professeur Stewart Memorial de biosciences et professeur de bio-ingénierie. "Au lieu d'écrire des informations de manière aléatoire dans l'ADN bactérien, qui est persistant et laborieux à lire, nous écrivons des informations dans une région de l'ARN hautement conservée dans tout l'arbre de vie, ce qui rend les informations bon marché et faciles à lire à haute voix."

Pour y parvenir, les chercheurs ont conçu une petite molécule d’ARN à base de ribozyme (également appelée ARN catalytique) qui conservait un code-barres unique d’ARNr 16S pendant le transfert de gène. Cet ARN de chat a été introduit dans une communauté microbienne modèle à l’aide de plasmides conjugatifs, qui sont des porteurs de gènes naturels chez les bactéries.

L’expérience impliquait l’introduction de ces plasmides de codes-barres dans des bactéries donneuses d’E. coli, qui transféraient ensuite leur matériel génétique à divers microbes d’une communauté d’eaux usées. Après 24 heures, les chercheurs ont extrait l’ARN total et séquencé l’ARNr 16S codé à barres.

"Ce que nous avons vu était remarquable", a déclaré Stadler, professeur agrégé de génie civil et environnemental. "Environ la moitié des taxons bactériens de la communauté des eaux usées pourraient héberger les plasmides, ce qui nous permettrait de créer une carte détaillée des événements de transfert horizontal de gènes."

L'étude a également montré que la RAM peut être utilisée pour mesurer les différences dans les gammes d'hôtes entre les types de plasmides d'ADN. Avec des dizaines de milliers de plasmides d’ADN différents dans les microbes naturels de l’environnement, RAM constitue une méthode simple et peu coûteuse pour comprendre la relation entre les plasmides et leurs hôtes.

"La RAM peut être utilisée pour suivre le mouvement de plusieurs éléments génétiques dans l'ensemble d'une communauté microbienne", a déclaré Chappell. "Cela nous a permis de suivre le mouvement de plusieurs plasmides au cours d'une seule expérience et pourrait être étendu à l'étude de la dynamique du transfert de plasmides dans les communautés microbiennes et des interactions entre les éléments génétiques mobiles."

La méthode RAM a des applications potentiellement très diverses en médecine, en biotechnologie et en sciences de l’environnement. L’une des préoccupations les plus pressantes est la résistance aux antibiotiques, car le suivi de la propagation des gènes de résistance et des eaux usées pourrait aider à prédire et à prévenir les épidémies d’infections résistantes aux médicaments. Dans le domaine de la bioremédiation et de la gestion des déchets, cette technologie permet de développer des microbiomes qui décomposent efficacement les polluants tout en garantissant la conservation des modifications génétiques bénéfiques. En biologie synthétique et en biotechnologie, la capacité à produire des microbiomes pour des tâches spécifiques telles que la production de biocarburants ou de produits pharmaceutiques repose également sur un transfert de gènes sûr et contrôlé.

"Le potentiel ici est énorme", a déclaré Stadler. "Nous disposons désormais d'un moyen d'étudier comment les bactéries partagent leurs gènes dans leur habitat naturel sans avoir à les cultiver en laboratoire. Cela ouvre la porte à une nouvelle vague de recherche microbienne et d'applications en biologie synthétique."

À l’avenir, cette technique de codage à barres pourrait également être étendue et appliquée à d’autres formes de commutation génétique telles que la transduction (via des bactériophages) et la transformation (absorption directe de l’ADN). De plus, l’optimisation de la stabilité de l’ARN Cat et l’augmentation du nombre de codes-barres uniques peuvent permettre une résolution encore plus fine lors du suivi des interactions microbiennes.

"Avec un développement ultérieur, le code-barres à ARN pourrait devenir un outil universel pour stocker des informations dans les communautés environnementales au-delà des comportements microbiens supplémentaires", a déclaré Silberg.

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