Noua metodă de codare de bare ARN urmărește transferul de gene în comunitățile microbiene

Noua metodă de codare de bare ARN urmărește transferul de gene în comunitățile microbiene

În lumea microscopică a bacteriilor, transferul de gene este un mecanism puternic care poate modifica funcția celulară, poate promova rezistența la antibiotice și chiar poate modela ecosisteme întregi. Acum, un grup interdisciplinar de cercetători de la Universitatea Rice a dezvoltat o metodă inovatoare de „codare de bare” a ARN pentru a urmări aceste schimburi genetice în comunitățile microbiene, oferind noi perspective asupra modului în care genele se mișcă între specii. Rezultatele au fost publicate recent înBiotehnologia naturală.

Știm de mult că bacteriile schimbă gene în moduri care au impact asupra sănătății umane, biotehnologiei și stabilității mediului. Cu toate acestea, cartografierea microbilor implicați în transferul de gene a fost o provocare. Această nouă tehnică ne oferă o modalitate directă de a înregistra aceste informații în celulele în sine. „

James Chappell, profesor asociat de Bioștiințe și Bioinginerie

Metodele tradiționale pentru studierea transferului de gene implică etichetarea elementelor genetice mobile cu proteine ​​fluorescente sau gene de rezistență la antibiotice. Deși eficiente, aceste abordări necesită izolarea și creșterea microbilor într-un laborator, limitând utilizarea lor în medii complexe.

Pentru a face față acestei provocări, o echipă interdisciplinară de la laboratoarele de cercetare Rice's Chappell, Joff Silberg și Lauren Stadler a creat un nou instrument de biologie sintetică. Această echipă a fost formată din Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu și August Staubus.

Noua metodă a echipei de orez, numită modificarea ARN-adresării (RAM), îndepărtează aceste obstacole prin utilizarea unui ARN catalitic sintetic (Cat-ARN) pentru a „coda” ARN-ul ribozomal (rARN) în celulele vii.

Prin scrierea informațiilor genetice direct în ARNr 16S - o moleculă care se găsește în mod obișnuit în bacterii - cercetătorii au reușit să urmărească ce microbi au dobândit ADN străin fără a le perturba mediul natural. Ca o secvențiere țintită a ARNr 16S, această metodă este, de asemenea, standardul de aur pentru identificarea diferitelor specii bacteriene care pot utiliza protocoale și software de analiză stabilite și ușor de utilizat.

„Acesta este o schimbare a jocului pentru crearea unui atlas mobil de ADN”, a spus Silberg, profesor Stewart Memorial de Bioștiințe și profesor de bioinginerie. „În loc să scriem informații aleatoriu în ADN-ul bacterian, care este persistent și laborios de citit, scriem informații într-o regiune de ARN care este foarte conservată de-a lungul arborelui vieții, făcând informațiile ieftine și ușor de citit cu voce tare.”

Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au proiectat o moleculă mică de ARN pe bază de ribozime (numită și ARN catalitic) care a reținut un cod de bare unic de ARNr 16S în timpul transferului de gene. Acest ARN de pisică a fost introdus într-o comunitate microbiană model folosind plasmide conjugative, care sunt purtători de gene care apar în mod natural în bacterii.

Experimentul a implicat introducerea acestor plasmide cu coduri de bare în bacteriile donatoare E. coli, care apoi și-au transferat materialul genetic la diverși microbi dintr-o comunitate de ape uzate. După 24 de ore, cercetătorii au extras ARN total și au secvențiat ARNr-ul 16S cu cod de bare.

„Ceea ce am văzut a fost remarcabil”, a spus Stadler, profesor asociat de inginerie civilă și de mediu. „Aproximativ jumătate din taxonii bacterieni din comunitatea apelor uzate ar putea adăposti plasmidele, permițându-ne să creăm o hartă detaliată a evenimentelor orizontale de transfer de gene.”

De asemenea, studiul a arătat că RAM poate fi utilizată pentru a măsura diferențele dintre intervalele de gazdă între tipurile de plasmide ADN. Cu zeci de mii de plasmide ADN diferite în microbii naturali de mediu, RAM oferă o metodă simplă și ieftină de a înțelege relația dintre plasmide și gazdele lor.

„RAM poate fi folosit pentru a urmări mișcarea mai multor elemente genetice într-o întreagă comunitate microbiană”, a spus Chappell. „Acest lucru ne-a permis să urmărim mișcarea mai multor plasmide într-un singur experiment și ar putea fi extins pentru a studia dinamica transferului de plasmide în comunitățile microbiene și interacțiunile dintre elementele genetice mobile.”

Metoda RAM are aplicații potențial ample în medicină, biotehnologie și științe ale mediului. Una dintre cele mai presante preocupări este rezistența la antibiotice, deoarece urmărirea răspândirii genelor de rezistență și a apelor uzate ar putea ajuta la prezicerea și prevenirea focarelor de infecții rezistente la medicamente. În domeniul bioremedierii și al gestionării deșeurilor, această tehnologie poate dezvolta microbiomi care descompun eficient poluanții, asigurând în același timp păstrarea modificărilor genetice benefice. În biologia sintetică și biotehnologie, capacitatea de a produce microbiomi pentru sarcini specifice, cum ar fi producția de biocombustibili sau produse farmaceutice, se bazează, de asemenea, pe transferul de gene sigur și controlat.

„Potențialul aici este enorm”, a spus Stadler. „Acum avem o modalitate de a studia modul în care bacteriile împart genele în habitatul lor natural, fără a fi nevoie să le cultivăm într-un laborator. Acest lucru deschide ușa către un nou val de cercetare microbiană și aplicații de biologie sintetică”.

În viitor, această tehnică de codare de bare ar putea fi, de asemenea, extinsă și aplicată și altor forme de schimbare a genelor, cum ar fi transducția (prin bacteriofagi) și transformarea (absorbția directă a ADN-ului). În plus, optimizarea stabilității Cat ARN și creșterea numărului de coduri de bare unice poate permite o rezoluție și mai fină atunci când urmăriți interacțiunile microbiene.

„Odată cu dezvoltarea ulterioară, codurile de bare ARN ar putea deveni un instrument universal pentru stocarea informațiilor în comunitățile de mediu dincolo de comportamentele microbiene suplimentare”, a spus Silberg.

Surse: