Naujas RNR brūkšninio kodavimo metodas seka genų perdavimą mikrobų bendruomenėse

Naujas RNR brūkšninio kodavimo metodas seka genų perdavimą mikrobų bendruomenėse

Mikroskopiniame bakterijų pasaulyje genų perdavimas yra galingas mechanizmas, galintis pakeisti ląstelių funkciją, skatinti atsparumą antibiotikams ir net formuoti ištisas ekosistemas. Dabar tarpdisciplininė Rice universiteto mokslininkų grupė sukūrė novatorišką RNR „brūkšninio kodavimo“ metodą, skirtą stebėti šiuos genetinius mainus mikrobų bendruomenėse, suteikiant naujų įžvalgų apie genų judėjimą tarp rūšių. Rezultatai neseniai buvo paskelbti mNatūrali biotechnologija.

Jau seniai žinome, kad bakterijos keičia genus tokiu būdu, kuris daro įtaką žmonių sveikatai, biotechnologijoms ir aplinkos stabilumui. Tačiau nustatyti, kurie mikrobai dalyvauja genų pernešime, buvo sudėtinga. Ši nauja technika suteikia mums tiesioginį būdą įrašyti šią informaciją pačiose ląstelėse. “

Jamesas Chappellas, biomokslų ir bioinžinerijos docentas

Tradiciniai genų perdavimo tyrimo metodai apima mobiliųjų genetinių elementų žymėjimą fluorescenciniais baltymais arba atsparumo antibiotikams genais. Nors šie metodai yra veiksmingi, jiems reikia izoliuoti ir auginti mikrobus laboratorijoje, ribojant jų naudojimą sudėtingoje aplinkoje.

Siekdama išspręsti šį iššūkį, tarpdisciplininė Rice's Chappell, Joff Silberg ir Lauren Stadler tyrimų laboratorijų komanda sukūrė naują sintetinės biologijos įrankį. Šią komandą sudarė Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu ir August Staubus.

Naujasis ryžių komandos metodas, vadinamas RNR adresavimo modifikavimu (RAM), įveikia šias kliūtis, naudodamas sintetinę katalizinę RNR (Cat-RNA), kad „brūkšniniu kodu“ būtų koduojama ribosominė RNR (rRNR) gyvose ląstelėse.

Rašydami genetinę informaciją tiesiai į 16S rRNR – molekulę, dažniausiai randamą bakterijose – mokslininkai sugebėjo atsekti, kurie mikrobai įgijo svetimą DNR, nepažeisdami jų natūralios aplinkos. Kaip tikslinis 16S rRNR sekos nustatymas, šis metodas taip pat yra auksinis standartas nustatant įvairias bakterijų rūšis, kurios gali naudoti nusistovėjusius ir lengvai naudojamus protokolus ir analizės programinę įrangą.

„Tai yra žaidimų keitiklis kuriant mobilųjį DNR atlasą“, – sakė Stewarto memorialinis biomokslų profesorius ir bioinžinerijos profesorius Silbergas. „Užuot rašę informaciją atsitiktinai į bakterijų DNR, kurią skaityti atkakliai ir sunku, mes rašome informaciją RNR regione, kuris yra labai konservuotas visame gyvybės medyje, todėl informacija yra pigi ir lengvai skaitoma garsiai.

Norėdami tai pasiekti, mokslininkai sukūrė nedidelę ribozimų pagrindu veikiančią RNR molekulę (taip pat vadinamą katalizine RNR), kuri genų perdavimo metu išlaikė unikalų 16S rRNR brūkšninį kodą. Ši katės RNR buvo įvesta į pavyzdinę mikrobų bendruomenę, naudojant konjugacines plazmides, kurios yra natūraliai bakterijų genų nešiotojai.

Eksperimento metu šios brūkšninį kodą žyminčios plazmidės buvo įvedamos į E. coli donorines bakterijas, kurios vėliau savo genetinę medžiagą perdavė įvairiems mikrobams nuotekų bendruomenėje. Po 24 valandų tyrėjai išskyrė bendrą RNR ir suskirstė brūkšniniu kodu pažymėtą 16S rRNR.

„Tai, ką matėme, buvo nuostabu“, – sakė Stadleris, civilinės ir aplinkos inžinerijos docentas. „Maždaug pusė bakterijų taksonų nuotekų bendruomenėje gali turėti plazmides, todėl galime sukurti išsamų horizontalių genų perdavimo įvykių žemėlapį.

Tyrimas taip pat parodė, kad RAM gali būti naudojama DNR plazmidžių tipų šeimininkų diapazonų skirtumams išmatuoti. Su dešimtimis tūkstančių skirtingų DNR plazmidžių natūraliuose aplinkos mikrobuose, RAM yra paprastas ir nebrangus būdas suprasti ryšį tarp plazmidžių ir jų šeimininkų.

"RAM gali būti naudojama stebėti kelių genetinių elementų judėjimą visoje mikrobų bendruomenėje", - sakė Chappell. "Tai leido mums sekti kelių plazmidžių judėjimą viename eksperimente ir gali būti išplėsta, kad būtų galima ištirti plazmidžių perdavimo mikrobų bendruomenėse dinamiką ir mobiliųjų genetinių elementų sąveiką."

RAM metodas gali būti plačiai pritaikytas medicinoje, biotechnologijoje ir aplinkos moksluose. Vienas iš aktualiausių rūpesčių yra atsparumas antibiotikams, nes atsparumo genų ir nuotekų plitimo stebėjimas galėtų padėti numatyti ir užkirsti kelią vaistams atsparių infekcijų protrūkiams. Biologinio valymo ir atliekų tvarkymo srityje ši technologija gali sukurti mikrobiomus, kurie efektyviai skaido teršalus, kartu užtikrindami, kad būtų išsaugotos naudingos genetinės modifikacijos. Sintetinės biologijos ir biotechnologijų srityje gebėjimas gaminti mikrobiomas tam tikroms užduotims, pavyzdžiui, biokuro ar vaistų gamybai, taip pat priklauso nuo saugaus ir kontroliuojamo genų perdavimo.

„Potencialas čia yra didžiulis“, – sakė Stadleris. "Dabar turime būdą ištirti, kaip bakterijos dalijasi genais savo natūralioje buveinėje, neaugindamos jų laboratorijoje. Tai atveria duris naujai mikrobų tyrimų ir sintetinės biologijos taikymo bangai."

Ateityje ši brūkšninio kodavimo technika taip pat galėtų būti išplėsta ir pritaikyta kitoms genų perjungimo formoms, tokioms kaip transdukcija (per bakteriofagus) ir transformacija (tiesioginis DNR įsisavinimas). Be to, optimizuojant Cat RNR stabilumą ir padidinus unikalių brūkšninių kodų skaičių, stebint mikrobų sąveiką galima pasiekti dar geresnę skiriamąją gebą.

„Toliau plėtojant, RNR brūkšninis kodavimas gali tapti universalia priemone informacijai saugoti aplinkos bendruomenėse, be papildomo mikrobų elgesio“, - sakė Silbergas.

Šaltiniai: