Nova metoda RNK barkodiranja prati prijenos gena u mikrobnim zajednicama

Nova metoda RNK barkodiranja prati prijenos gena u mikrobnim zajednicama

U mikroskopskom svijetu bakterija, prijenos gena moćan je mehanizam koji može promijeniti staničnu funkciju, potaknuti otpornost na antibiotike, pa čak i oblikovati cijele ekosustave. Sada je interdisciplinarna skupina istraživača sa Sveučilišta Rice razvila inovativnu metodu "kodiranja" RNK za praćenje ovih genetskih razmjena u mikrobnim zajednicama, pružajući nove uvide u način na koji se geni kreću među vrstama. Rezultati su nedavno objavljeni uPrirodna biotehnologija.

Dugo znamo da bakterije mijenjaju gene na načine koji utječu na ljudsko zdravlje, biotehnologiju i stabilnost okoliša. Međutim, mapiranje mikroba koji su uključeni u prijenos gena bilo je izazovno. Ova nova tehnika daje nam izravan način za snimanje tih informacija u samim stanicama. “

James Chappell, izvanredni profesor bioloških znanosti i bioinženjeringa

Tradicionalne metode za proučavanje prijenosa gena uključuju označavanje mobilnih genetskih elemenata fluorescentnim proteinima ili genima otpornosti na antibiotike. Iako su učinkoviti, ovi pristupi zahtijevaju izolaciju i rast mikroba u laboratoriju, ograničavajući njihovu upotrebu u složenim okruženjima.

Za rješavanje ovog izazova interdisciplinarni tim iz istraživačkih laboratorija Rice's Chappell, Joff Silberg i Lauren Stadler stvorio je novi alat za sintetičku biologiju. Ovaj tim činili su Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu i August Staubus.

Nova metoda rižinog tima, nazvana RNA-addressing modification (RAM), zaobilazi te prepreke korištenjem sintetičke katalitičke RNA (Cat-RNA) za "crtično kodiranje" ribosomske RNA (rRNA) u živim stanicama.

Zapisivanjem genetskih informacija izravno u 16S rRNA—molekulu koja se obično nalazi u bakterijama—istraživači su mogli pratiti koji su mikrobi dobili stranu DNK bez ometanja njihovog prirodnog okoliša. Kao ciljano sekvencioniranje 16S rRNA, ova metoda također je zlatni standard za identifikaciju različitih bakterijskih vrsta koje mogu koristiti utvrđene protokole i softver za analizu jednostavne za korištenje.

"Ovo je promjena u igri za stvaranje mobilnog DNK atlasa", rekao je Silberg, profesor bioloških znanosti na Stewart Memorial i profesor bioinženjeringa. "Umjesto da nasumično upisujemo informacije u bakterijsku DNK, koja je uporna i naporna za čitanje, mi upisujemo informacije u regiju RNK koja je visoko očuvana kroz stablo života, čineći informacije jeftinima i lakima za čitanje naglas."

Kako bi to postigli, istraživači su dizajnirali malu molekulu RNA baziranu na ribozimu (također nazvanu katalitička RNA) koja je zadržala jedinstveni crtični kod 16S rRNA tijekom prijenosa gena. Ova Cat RNA uvedena je u modelnu mikrobnu zajednicu pomoću konjugiranih plazmida, koji su prirodni prijenosnici gena u bakterijama.

Eksperiment je uključivao uvođenje ovih plazmida za barkodiranje u bakterije donore E. coli, koje su zatim prenijele svoj genetski materijal na različite mikrobe u zajednici otpadnih voda. Nakon 24 sata, istraživači su ekstrahirali ukupnu RNK i sekvencionirali barkodiranu 16S rRNA.

"Ono što smo vidjeli bilo je izvanredno", rekao je Stadler, izvanredni profesor građevinarstva i inženjerstva okoliša. "Otprilike polovica bakterijskih taksona u zajednici otpadnih voda mogla bi sadržavati plazmide, što bi nam omogućilo stvaranje detaljne karte događaja horizontalnog prijenosa gena."

Studija je također pokazala da se RAM može koristiti za mjerenje razlika u rasponima domaćina između tipova DNK plazmida. S desecima tisuća različitih DNA plazmida u prirodnim mikrobima iz okoliša, RAM pruža jednostavnu i jeftinu metodu za razumijevanje odnosa između plazmida i njihovih domaćina.

"RAM se može koristiti za praćenje kretanja višestrukih genetskih elemenata kroz cijelu mikrobnu zajednicu", rekao je Chappell. "To nam je omogućilo praćenje kretanja višestrukih plazmida u jednom eksperimentu i moglo bi se proširiti na proučavanje dinamike prijenosa plazmida u mikrobnim zajednicama i interakcija između mobilnih genetskih elemenata."

RAM metoda ima potencijalno široku primjenu u medicini, biotehnologiji i znanostima o okolišu. Jedan od najhitnijih problema je otpornost na antibiotike, budući da bi praćenje širenja gena otpornosti i otpadnih voda moglo pomoći u predviđanju i sprječavanju izbijanja infekcija otpornih na lijekove. U području bioremedijacije i gospodarenja otpadom, ova tehnologija može razviti mikrobiome koji učinkovito razgrađuju zagađivače, a istodobno osiguravaju zadržavanje korisnih genetskih modifikacija. U sintetičkoj biologiji i biotehnologiji, sposobnost proizvodnje mikrobioma za specifične zadatke kao što je proizvodnja biogoriva ili lijekova također se oslanja na siguran i kontroliran prijenos gena.

"Ovdje je potencijal golem", rekao je Stadler. "Sada imamo način da proučimo kako bakterije dijele gene u svom prirodnom staništu, a da ih ne moramo uzgajati u laboratoriju. To otvara vrata novom valu istraživanja mikroba i primjene sintetičke biologije."

U budućnosti bi se ova tehnika barkodiranja također mogla proširiti i primijeniti na druge oblike izmjene gena kao što je transdukcija (preko bakteriofaga) i transformacija (izravno preuzimanje DNK). Nadalje, optimiziranje stabilnosti Cat RNA i povećanje broja jedinstvenih crtičnih kodova može omogućiti još bolju rezoluciju pri praćenju interakcija mikroba.

"S daljnjim razvojem, RNA crtično kodiranje moglo bi postati univerzalni alat za pohranjivanje informacija u ekološkim zajednicama izvan dodatnog ponašanja mikroba", rekao je Silberg.

Izvori: