Un nuovo metodo di codifica a barre dell’RNA tiene traccia del trasferimento genico nelle comunità microbiche

Un nuovo metodo di codifica a barre dell’RNA tiene traccia del trasferimento genico nelle comunità microbiche

Nel microscopico mondo dei batteri, il trasferimento genico è un potente meccanismo in grado di alterare la funzione cellulare, promuovere la resistenza agli antibiotici e persino modellare interi ecosistemi. Ora un gruppo interdisciplinare di ricercatori della Rice University ha sviluppato un innovativo metodo di “codifica a barre” dell’RNA per tracciare questi scambi genetici nelle comunità microbiche, fornendo nuove informazioni sul modo in cui i geni si muovono tra le specie. I risultati sono stati recentemente pubblicati inBiotecnologie naturali.

Sappiamo da tempo che i batteri scambiano i geni in modi che hanno un impatto sulla salute umana, sulla biotecnologia e sulla stabilità ambientale. Tuttavia, mappare quali microbi sono coinvolti nel trasferimento genico è stato impegnativo. Questa nuova tecnica ci offre un modo diretto per registrare queste informazioni nelle cellule stesse. “

James Chappell, Professore Associato di Bioscienze e Bioingegneria

I metodi tradizionali per studiare il trasferimento genico prevedono la marcatura di elementi genetici mobili con proteine ​​fluorescenti o geni di resistenza agli antibiotici. Sebbene efficaci, questi approcci richiedono l’isolamento e la crescita dei microbi in laboratorio, limitandone l’uso in ambienti complessi.

Per affrontare questa sfida, un team interdisciplinare dei laboratori di ricerca Rice Chappell, Joff Silberg e Lauren Stadler ha creato un nuovo strumento di biologia sintetica. Questa squadra era composta da Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu e August Staubus.

Il nuovo metodo del team del riso, chiamato RNA-addressing modification (RAM), aggira questi ostacoli utilizzando un RNA catalitico sintetico (Cat-RNA) per "codificare a barre" l'RNA ribosomiale (rRNA) nelle cellule viventi.

Scrivendo le informazioni genetiche direttamente nell'rRNA 16S, una molecola comunemente presente nei batteri, i ricercatori sono stati in grado di tracciare quali microbi hanno acquisito DNA estraneo senza disturbare il loro ambiente naturale. Essendo un sequenziamento mirato dell'rRNA 16S, questo metodo è anche il gold standard per identificare varie specie batteriche che possono utilizzare protocolli e software di analisi consolidati e facili da usare.

"Si tratta di un punto di svolta per la creazione di un atlante del DNA mobile", ha affermato Silberg, professore di Bioscienze allo Stewart Memorial e professore di bioingegneria. “Invece di scrivere informazioni in modo casuale nel DNA batterico, che è persistente e laborioso da leggere, scriviamo informazioni in una regione dell’RNA che è altamente conservata in tutto l’albero della vita, rendendo le informazioni economiche e facili da leggere ad alta voce”.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno progettato una piccola molecola di RNA a base di ribozima (chiamata anche RNA catalitico) che conservava un codice a barre unico di rRNA 16S durante il trasferimento genico. Questo RNA di gatto è stato introdotto in una comunità microbica modello utilizzando plasmidi coniugativi, che sono portatori di geni presenti in natura nei batteri.

L'esperimento prevedeva l'introduzione di questi plasmidi con codice a barre nei batteri donatori di E. coli, che poi trasferivano il loro materiale genetico a vari microbi in una comunità di acque reflue. Dopo 24 ore, i ricercatori hanno estratto l’RNA totale e hanno sequenziato l’rRNA 16S con codice a barre.

"Quello che abbiamo visto è stato straordinario", ha detto Stadler, professore associato di ingegneria civile e ambientale. “Circa la metà dei taxa batterici nella comunità delle acque reflue potrebbe ospitare i plasmidi, permettendoci di creare una mappa dettagliata degli eventi di trasferimento genico orizzontale”.

Lo studio ha inoltre dimostrato che la RAM può essere utilizzata per misurare le differenze negli intervalli di ospiti tra i tipi di plasmidi del DNA. Con decine di migliaia di diversi plasmidi di DNA nei microbi ambientali naturali, la RAM fornisce un metodo semplice ed economico per comprendere la relazione tra i plasmidi e i loro ospiti.

"La RAM può essere utilizzata per tracciare il movimento di più elementi genetici in un'intera comunità microbica", ha affermato Chappell. “Questo ci ha permesso di tracciare il movimento di più plasmidi in un singolo esperimento e potrebbe essere esteso per studiare la dinamica del trasferimento dei plasmidi nelle comunità microbiche e le interazioni tra elementi genetici mobili”.

Il metodo RAM ha applicazioni potenzialmente ad ampio raggio in medicina, biotecnologia e scienze ambientali. Una delle preoccupazioni più urgenti è la resistenza agli antibiotici, poiché monitorare la diffusione dei geni di resistenza e delle acque reflue potrebbe aiutare a prevedere e prevenire epidemie di infezioni resistenti ai farmaci. Nel campo del biorisanamento e della gestione dei rifiuti, questa tecnologia può sviluppare microbiomi che scompongono in modo efficiente gli inquinanti garantendo al tempo stesso il mantenimento delle modifiche genetiche benefiche. Nella biologia sintetica e nella biotecnologia, la capacità di produrre microbiomi per compiti specifici come la produzione di biocarburanti o prodotti farmaceutici si basa anche sul trasferimento genico sicuro e controllato.

"Il potenziale qui è enorme", ha detto Stadler. “Ora abbiamo un modo per studiare come i batteri condividono i geni nel loro habitat naturale senza doverli coltivare in laboratorio. Questo apre le porte a una nuova ondata di ricerca microbica e applicazioni di biologia sintetica”.

In futuro, questa tecnica di codifica a barre potrebbe essere ampliata e applicata anche ad altre forme di commutazione genetica come la trasduzione (tramite batteriofagi) e la trasformazione (assorbimento diretto del DNA). Inoltre, l’ottimizzazione della stabilità del Cat RNA e l’aumento del numero di codici a barre univoci possono consentire una risoluzione ancora più precisa durante il monitoraggio delle interazioni microbiche.

“Con un ulteriore sviluppo, il codice a barre dell’RNA potrebbe diventare uno strumento universale per archiviare informazioni nelle comunità ambientali oltre ad ulteriori comportamenti microbici”, ha affermato Silberg.

Fonti: