Nowa metoda kodowania kreskowego RNA śledzi transfer genów w społecznościach drobnoustrojów

Nowa metoda kodowania kreskowego RNA śledzi transfer genów w społecznościach drobnoustrojów

W mikroskopijnym świecie bakterii transfer genów to potężny mechanizm, który może zmieniać funkcje komórkowe, promować oporność na antybiotyki, a nawet kształtować całe ekosystemy. Obecnie interdyscyplinarna grupa naukowców z Rice University opracowała innowacyjną metodę „kodowania kreskowego” RNA w celu śledzenia wymiany genetycznej w społecznościach drobnoustrojów, zapewniając nowy wgląd w sposób przemieszczania się genów między gatunkami. Wyniki opublikowano niedawno wBiotechnologia naturalna.

Od dawna wiemy, że bakterie wymieniają geny w sposób, który wpływa na zdrowie ludzkie, biotechnologię i stabilność środowiska. Jednak mapowanie, które drobnoustroje biorą udział w przenoszeniu genów, okazało się wyzwaniem. Ta nowa technika umożliwia nam bezpośrednie zapisanie tych informacji w samych komórkach. „

James Chappell, profesor nadzwyczajny nauk biologicznych i bioinżynierii

Tradycyjne metody badania transferu genów obejmują znakowanie ruchomych elementów genetycznych białkami fluorescencyjnymi lub genami oporności na antybiotyki. Chociaż podejścia te są skuteczne, wymagają izolacji i wzrostu drobnoustrojów w laboratorium, co ogranicza ich zastosowanie w złożonych środowiskach.

Aby sprostać temu wyzwaniu, interdyscyplinarny zespół z laboratoriów badawczych Rice's Chappell, Joff Silberg i Lauren Stadler stworzył nowe narzędzie biologii syntetycznej. W skład tego zespołu weszli Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu i August Staubus.

Nowa metoda opracowana przez zespół zajmujący się ryżem, zwana modyfikacją adresowania RNA (RAM), pozwala ominąć te przeszkody, wykorzystując syntetyczny katalityczny RNA (Cat-RNA) do „kodowania kreskowego” rybosomalnego RNA (rRNA) w żywych komórkach.

Zapisując informację genetyczną bezpośrednio w 16S rRNA – cząsteczce powszechnie występującej w bakteriach – badacze byli w stanie śledzić, które drobnoustroje nabyły obce DNA bez zakłócania ich naturalnego środowiska. Jako ukierunkowane sekwencjonowanie 16S rRNA, metoda ta stanowi również złoty standard w identyfikacji różnych gatunków bakterii, które mogą wykorzystywać ustalone i łatwe w użyciu protokoły i oprogramowanie do analizy.

„To przełom w tworzeniu mobilnego atlasu DNA” – powiedział Silberg, profesor nauk biologicznych w Stewart Memorial i profesor bioinżynierii. „Zamiast losowo zapisywać informacje w bakteryjnym DNA, którego odczytanie jest trwałe i pracochłonne, zapisujemy informacje w regionie RNA, który jest wysoce konserwatywny w całym drzewie życia, dzięki czemu informacje są tanie i łatwe do odczytania na głos”.

Aby to osiągnąć, naukowcy zaprojektowali małą cząsteczkę RNA opartą na rybozymie (zwaną także katalitycznym RNA), która zachowywała unikalny kod kreskowy 16S rRNA podczas transferu genu. Ten koci RNA wprowadzono do modelowej społeczności drobnoustrojów przy użyciu plazmidów koniugacyjnych, które są naturalnie występującymi nośnikami genów w bakteriach.

Eksperyment polegał na wprowadzeniu tych plazmidów z kodem kreskowym do bakterii dawcy E. coli, które następnie przekazały swój materiał genetyczny różnym drobnoustrojom żyjącym w środowisku ściekowym. Po 24 godzinach badacze wyodrębnili całkowity RNA i zsekwencjonowali kod kreskowy 16S rRNA.

„To, co zobaczyliśmy, było niezwykłe” – powiedział Stadler, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej i środowiskowej. „Około połowa taksonów bakterii w środowisku ściekowym może być siedliskiem plazmidów, co umożliwi nam stworzenie szczegółowej mapy zdarzeń poziomego transferu genów”.

Badanie wykazało również, że pamięć RAM można wykorzystać do pomiaru różnic w zakresie gospodarzy pomiędzy typami plazmidów DNA. Dzięki dziesiątkom tysięcy różnych plazmidów DNA w drobnoustrojach środowiska naturalnego, RAM zapewnia prostą i niedrogą metodę zrozumienia związku między plazmidami a ich gospodarzami.

„RAM można wykorzystać do śledzenia ruchu wielu elementów genetycznych w całej społeczności drobnoustrojów” – powiedział Chappell. „Umożliwiło nam to śledzenie ruchu wielu plazmidów w jednym eksperymencie i można je rozszerzyć o badanie dynamiki transferu plazmidów w społecznościach drobnoustrojów oraz interakcji między ruchomymi elementami genetycznymi”.

Metoda RAM ma potencjalnie szerokie zastosowanie w medycynie, biotechnologii i naukach o środowisku. Jednym z najpilniejszych problemów jest oporność na antybiotyki, ponieważ śledzenie rozprzestrzeniania się genów oporności i ścieków może pomóc w przewidywaniu wybuchów infekcji lekoopornych i zapobieganiu im. W dziedzinie bioremediacji i gospodarki odpadami technologia ta może pomóc w opracowaniu mikrobiomów, które skutecznie rozkładają zanieczyszczenia, zapewniając jednocześnie zachowanie korzystnych modyfikacji genetycznych. W biologii syntetycznej i biotechnologii zdolność do wytwarzania mikrobiomów do określonych zadań, takich jak produkcja biopaliw czy farmaceutyków, zależy również od bezpiecznego i kontrolowanego transferu genów.

„Potencjał jest ogromny” – powiedział Stadler. „Teraz mamy sposób na zbadanie, w jaki sposób bakterie dzielą się genami w swoim naturalnym środowisku, bez konieczności ich hodowania w laboratorium. Otwiera to drzwi do nowej fali badań mikrobiologicznych i zastosowań biologii syntetycznej”.

W przyszłości tę technikę kodowania kreskowego można również rozszerzyć i zastosować do innych form przełączania genów, takich jak transdukcja (za pośrednictwem bakteriofagów) i transformacja (bezpośredni pobór DNA). Co więcej, optymalizacja stabilności Cat RNA i zwiększenie liczby unikalnych kodów kreskowych może umożliwić jeszcze dokładniejszą rozdzielczość podczas śledzenia interakcji drobnoustrojów.

„Wraz z dalszym rozwojem kody kreskowe RNA mogą stać się uniwersalnym narzędziem do przechowywania informacji w społecznościach środowiskowych, wykraczających poza dodatkowe zachowania drobnoustrojów” – powiedział Silberg.

Źródła: