Nieuwe RNA-barcodemethode volgt genoverdracht in microbiële gemeenschappen

Nieuwe RNA-barcodemethode volgt genoverdracht in microbiële gemeenschappen

In de microscopische wereld van bacteriën is genoverdracht een krachtig mechanisme dat de cellulaire functie kan veranderen, antibioticaresistentie kan bevorderen en zelfs hele ecosystemen kan vormen. Nu heeft een interdisciplinaire groep onderzoekers van Rice University een innovatieve RNA-‘barcoding’-methode ontwikkeld om deze genetische uitwisselingen in microbiële gemeenschappen te volgen, wat nieuwe inzichten oplevert in de manier waarop genen zich tussen soorten verplaatsen. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd inNatuurlijke biotechnologie.

We weten al lang dat bacteriën genen uitwisselen op manieren die van invloed zijn op de menselijke gezondheid, de biotechnologie en de stabiliteit van het milieu. Het in kaart brengen van welke microben betrokken zijn bij genoverdracht was echter een uitdaging. Deze nieuwe techniek geeft ons een directe manier om deze informatie in de cellen zelf vast te leggen. “

James Chappell, universitair hoofddocent biowetenschappen en bio-engineering

Traditionele methoden voor het bestuderen van genoverdracht omvatten het taggen van mobiele genetische elementen met fluorescerende eiwitten of antibioticaresistentiegenen. Hoewel effectief, vereisen deze benaderingen isolatie en groei van microben in een laboratorium, waardoor het gebruik ervan in complexe omgevingen wordt beperkt.

Om deze uitdaging aan te pakken heeft een interdisciplinair team van de onderzoekslaboratoria Rice's Chappell, Joff Silberg en Lauren Stadler een nieuw hulpmiddel voor synthetische biologie ontwikkeld. Dit team bestond uit Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu en August Staubus.

De nieuwe methode van het rijstteam, genaamd RNA-adresserende modificatie (RAM), omzeilt deze hindernissen door een synthetisch katalytisch RNA (Cat-RNA) te gebruiken om ribosomaal RNA (rRNA) in levende cellen te "barcoderen".

Door genetische informatie rechtstreeks in 16S-rRNA (een molecuul dat veel voorkomt in bacteriën) te schrijven, konden onderzoekers volgen welke microben vreemd DNA verwierven zonder hun natuurlijke omgeving te verstoren. Als gerichte sequencing van 16S-rRNA is deze methode ook de gouden standaard voor het identificeren van verschillende bacteriesoorten die gebruik kunnen maken van gevestigde en eenvoudig te gebruiken protocollen en analysesoftware.

"Dit is een game-changer voor het creëren van een mobiele DNA-atlas", zegt Silberg, Stewart Memorial Professor of Biosciences en professor in bio-engineering. “In plaats van informatie willekeurig in bacterieel DNA te schrijven, wat persistent en moeizaam is om te lezen, schrijven we informatie in een RNA-gebied dat in hoge mate geconserveerd is in de hele levensboom, waardoor de informatie goedkoop en gemakkelijk hardop te lezen is.”

Om dit te bereiken ontwierpen de onderzoekers een klein op ribozym gebaseerd RNA-molecuul (ook wel katalytisch RNA genoemd) dat tijdens de genoverdracht een unieke barcode van 16S-rRNA behield. Dit Cat-RNA werd geïntroduceerd in een microbiële modelgemeenschap met behulp van conjugatieve plasmiden, die van nature voorkomende gendragers in bacteriën zijn.

Het experiment omvatte het introduceren van deze streepjescodeplasmiden in E. coli-donorbacteriën, die vervolgens hun genetisch materiaal overbrachten naar verschillende microben in een afvalwatergemeenschap. Na 24 uur extraheerden de onderzoekers totaal RNA en bepaalden ze het 16S-rRNA met streepjescode.

“Wat we zagen was opmerkelijk”, zegt Stadler, universitair hoofddocent civiele techniek en milieutechniek. "Ongeveer de helft van de bacteriële taxa in de afvalwatergemeenschap zou de plasmiden kunnen herbergen, waardoor we een gedetailleerde kaart kunnen maken van horizontale genoverdrachtsgebeurtenissen."

De studie toonde ook aan dat RAM kan worden gebruikt om de verschillen in gastheerbereik tussen DNA-plasmidetypen te meten. Met tienduizenden verschillende DNA-plasmiden in natuurlijke omgevingsmicroben biedt RAM een eenvoudige en goedkope methode om de relatie tussen plasmiden en hun gastheren te begrijpen.

“RAM kan worden gebruikt om de beweging van meerdere genetische elementen in een hele microbiële gemeenschap te volgen,” zei Chappell. “Hierdoor konden we de beweging van meerdere plasmiden in één experiment volgen en dit kon worden uitgebreid om de dynamiek van plasmideoverdracht in microbiële gemeenschappen en interacties tussen mobiele genetische elementen te bestuderen.”

De RAM-methode heeft potentieel brede toepassingen in de geneeskunde, biotechnologie en milieuwetenschappen. Een van de meest dringende zorgen is antibioticaresistentie, omdat het volgen van de verspreiding van resistentiegenen en afvalwater uitbraken van medicijnresistente infecties kan helpen voorspellen en voorkomen. Op het gebied van bioremediatie en afvalbeheer kan deze technologie microbiomen ontwikkelen die verontreinigende stoffen efficiënt afbreken en er tegelijkertijd voor zorgen dat nuttige genetische modificaties behouden blijven. In de synthetische biologie en biotechnologie is het vermogen om microbiomen te produceren voor specifieke taken zoals de productie van biobrandstoffen of farmaceutische producten ook afhankelijk van veilige en gecontroleerde genoverdracht.

“Het potentieel hier is enorm”, aldus Stadler. "We hebben nu een manier om te bestuderen hoe bacteriën genen delen in hun natuurlijke habitat zonder ze in een laboratorium te hoeven laten groeien. Dit opent de deur naar een nieuwe golf van microbieel onderzoek en toepassingen van synthetische biologie."

In de toekomst zou deze barcodetechniek ook kunnen worden uitgebreid en toegepast op andere vormen van gen-switching zoals transductie (via bacteriofagen) en transformatie (directe DNA-opname). Bovendien kan het optimaliseren van de Cat RNA-stabiliteit en het vergroten van het aantal unieke barcodes een nog fijnere resolutie mogelijk maken bij het volgen van microbiële interacties.

“Met verdere ontwikkeling zou RNA-barcoding een universeel hulpmiddel kunnen worden voor het opslaan van informatie in milieugemeenschappen, afgezien van aanvullend microbieel gedrag”, aldus Silberg.

Bronnen: