Ny RNA-strekkodingsmetode sporer genoverføring i mikrobielle samfunn

Ny RNA-strekkodingsmetode sporer genoverføring i mikrobielle samfunn

I den mikroskopiske verden av bakterier er genoverføring en kraftig mekanisme som kan endre cellulær funksjon, fremme antibiotikaresistens og til og med forme hele økosystemer. Nå har en tverrfaglig gruppe forskere ved Rice University utviklet en innovativ RNA "strekkodingsmetode" for å spore disse genetiske utvekslingene i mikrobielle samfunn, og gir ny innsikt i måten gener beveger seg på tvers av arter. Resultatene ble nylig publisert iNaturlig bioteknologi.

Vi har lenge visst at bakterier bytter gener på måter som påvirker menneskers helse, bioteknologi og miljøstabilitet. Det har imidlertid vært utfordrende å kartlegge hvilke mikrober som er involvert i genoverføring. Denne nye teknikken gir oss en direkte måte å registrere denne informasjonen i selve cellene. "

James Chappell, førsteamanuensis i biovitenskap og bioteknikk

Tradisjonelle metoder for å studere genoverføring involverer merking av mobile genetiske elementer med fluorescerende proteiner eller antibiotikaresistensgener. Selv om de er effektive, krever disse tilnærmingene isolering og vekst av mikrober i et laboratorium, noe som begrenser deres bruk i komplekse miljøer.

For å møte denne utfordringen har et tverrfaglig team fra Rice's Chappell, Joff Silberg og Lauren Stadler forskningslaboratorier laget et nytt syntetisk biologiverktøy. Dette teamet besto av Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu og August Staubus.

Risteamets nye metode, kalt RNA-adresseringsmodifikasjon (RAM), kommer rundt disse hindringene ved å bruke et syntetisk katalytisk RNA (Cat-RNA) for å "strekkode" ribosomalt RNA (rRNA) i levende celler.

Ved å skrive genetisk informasjon direkte inn i 16S rRNA – et molekyl som ofte finnes i bakterier – var forskerne i stand til å spore hvilke mikrober som skaffet seg fremmed DNA uten å forstyrre deres naturlige miljø. Som en målrettet sekvensering av 16S rRNA er denne metoden også gullstandarden for å identifisere ulike bakteriearter som kan benytte etablerte og brukervennlige protokoller og analyseprogramvare.

"Dette er en game-changer for å lage et mobilt DNA-atlas," sa Silberg, Stewart Memorial-professor i biovitenskap og professor i bioteknologi. "I stedet for å skrive informasjon tilfeldig i bakterielt DNA, som er vedvarende og arbeidskrevende å lese, skriver vi informasjon i en region av RNA som er svært bevart gjennom hele livets tre, noe som gjør informasjonen billig og lett å lese høyt."

For å oppnå dette designet forskerne et lite ribozym-basert RNA-molekyl (også kalt katalytisk RNA) som beholdt en unik strekkode av 16S rRNA under genoverføring. Dette Cat RNA ble introdusert i et modell mikrobielt samfunn ved bruk av konjugative plasmider, som er naturlig forekommende genbærere i bakterier.

Eksperimentet innebar å introdusere disse strekkodeplasmidene i E. coli-donorbakterier, som deretter overførte deres genetiske materiale til ulike mikrober i et avløpsvannsamfunn. Etter 24 timer ekstraherte forskerne totalt RNA og sekvenserte strekkodet 16S rRNA.

"Det vi så var bemerkelsesverdig," sa Stadler, en førsteamanuensis i sivil- og miljøteknikk. "Omtrent halvparten av bakterietaxaene i avløpsvannsamfunnet kan huse plasmidene, slik at vi kan lage et detaljert kart over horisontale genoverføringshendelser."

Studien viste også at RAM kan brukes til å måle forskjellene i vertsområder mellom DNA-plasmidtyper. Med titusenvis av forskjellige DNA-plasmider i naturlige miljømikrober, gir RAM en enkel og rimelig metode for å forstå forholdet mellom plasmider og deres verter.

"RAM kan brukes til å spore bevegelsen av flere genetiske elementer gjennom et helt mikrobielt samfunn," sa Chappell. "Dette tillot oss å spore bevegelsen til flere plasmider i et enkelt eksperiment og kan utvides til å studere dynamikken til plasmidoverføring i mikrobielle samfunn og interaksjoner mellom mobile genetiske elementer."

RAM-metoden har potensielt omfattende anvendelser innen medisin, bioteknologi og miljøvitenskap. En av de mest presserende bekymringene er antibiotikaresistens, siden sporing av spredning av resistensgener og avløpsvann kan bidra til å forutsi og forhindre utbrudd av medikamentresistente infeksjoner. Innenfor bioremediering og avfallshåndtering kan denne teknologien utvikle mikrobiomer som effektivt bryter ned forurensninger samtidig som den sikrer at fordelaktige genetiske modifikasjoner beholdes. Innen syntetisk biologi og bioteknologi er evnen til å produsere mikrobiomer for spesifikke oppgaver som produksjon av biodrivstoff eller legemidler også avhengig av sikker og kontrollert genoverføring.

Potensialet her er enormt, sa Stadler. "Vi har nå en måte å studere hvordan bakterier deler gener i sitt naturlige habitat uten å måtte dyrke dem i et laboratorium. Dette åpner døren til en ny bølge av mikrobiell forskning og syntetisk biologi."

I fremtiden kan denne strekkodingsteknikken også utvides og brukes på andre former for genbytte som transduksjon (via bakteriofager) og transformasjon (direkte DNA-opptak). Videre kan optimalisering av Cat RNA-stabilitet og øke antall unike strekkoder muliggjøre enda finere oppløsning ved sporing av mikrobielle interaksjoner.

"Med videre utvikling kan RNA-strekkoding bli et universelt verktøy for å lagre informasjon i miljøsamfunn utover ytterligere mikrobiell atferd," sa Silberg.

Kilder: