Nová metóda RNA čiarových kódov sleduje prenos génov v mikrobiálnych komunitách

Nová metóda RNA čiarových kódov sleduje prenos génov v mikrobiálnych komunitách

V mikroskopickom svete baktérií je prenos génov mocným mechanizmom, ktorý môže zmeniť bunkovú funkciu, podporiť odolnosť voči antibiotikám a dokonca formovať celé ekosystémy. Teraz interdisciplinárna skupina výskumníkov na Rice University vyvinula inovatívnu metódu „čiarového kódovania“ RNA na sledovanie týchto genetických výmen v mikrobiálnych komunitách, čo poskytuje nové poznatky o spôsobe, akým sa gény pohybujú medzi druhmi. Výsledky boli nedávno zverejnené v rPrírodná biotechnológia.

Už dlho vieme, že baktérie si vymieňajú gény spôsobmi, ktoré ovplyvňujú ľudské zdravie, biotechnológiu a environmentálnu stabilitu. Zmapovanie, ktoré mikróby sa podieľajú na prenose génov, však bolo náročné. Táto nová technika nám poskytuje priamy spôsob zaznamenávania týchto informácií v samotných bunkách. “

James Chappell, docent biologických vied a bioinžinierstva

Tradičné metódy na štúdium prenosu génov zahŕňajú označovanie mobilných genetických prvkov fluorescenčnými proteínmi alebo génmi rezistencie na antibiotiká. Aj keď sú tieto prístupy účinné, vyžadujú izoláciu a rast mikróbov v laboratóriu, čo obmedzuje ich použitie v zložitých prostrediach.

Na riešenie tejto výzvy interdisciplinárny tím z výskumných laboratórií Rice's Chappell, Joff Silberg a Lauren Stadler vytvoril nový nástroj syntetickej biológie. Tento tím tvorili Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu a August Staubus.

Nová metóda ryžového tímu, nazývaná modifikácia adresovania RNA (RAM), obchádza tieto prekážky pomocou syntetickej katalytickej RNA (Cat-RNA) na "čiarový kód" ribozomálnej RNA (rRNA) v živých bunkách.

Zapísaním genetickej informácie priamo do 16S rRNA – molekuly bežne sa vyskytujúcej v baktériách – boli výskumníci schopní sledovať, ktoré mikróby získali cudziu DNA bez narušenia ich prirodzeného prostredia. Ako cielené sekvenovanie 16S rRNA je táto metóda tiež zlatým štandardom na identifikáciu rôznych bakteriálnych druhov, ktoré môžu využívať zavedené a ľahko použiteľné protokoly a analytický softvér.

"Toto je zmena hry pri vytváraní mobilného atlasu DNA," povedal Silberg, profesor biologických vied Stewart Memorial a profesor bioinžinierstva. "Namiesto náhodného zapisovania informácií do bakteriálnej DNA, ktorá je trvalá a pracná na čítanie, zapisujeme informácie do oblasti RNA, ktorá je vysoko konzervovaná v rámci stromu života, vďaka čomu sú informácie lacné a ľahko čitateľné nahlas."

Na dosiahnutie tohto cieľa vedci navrhli malú molekulu RNA založenú na ribozýme (nazývanú aj katalytická RNA), ktorá si počas prenosu génov zachovala jedinečný čiarový kód 16S rRNA. Táto Cat RNA bola zavedená do modelovej mikrobiálnej komunity pomocou konjugačných plazmidov, ktoré sú prirodzene sa vyskytujúcimi génovými nosičmi v baktériách.

Experiment zahŕňal zavedenie týchto plazmidov s čiarovým kódom do donorových baktérií E. coli, ktoré potom preniesli svoj genetický materiál na rôzne mikróby v komunite odpadových vôd. Po 24 hodinách výskumníci extrahovali celkovú RNA a sekvenovali 16S rRNA s čiarovým kódom.

"To, čo sme videli, bolo pozoruhodné," povedal Stadler, docent stavebného a environmentálneho inžinierstva. "Približne polovica bakteriálnych taxónov v komunite odpadových vôd by mohla obsahovať plazmidy, čo nám umožňuje vytvoriť podrobnú mapu udalostí horizontálneho prenosu génov."

Štúdia tiež ukázala, že RAM sa môže použiť na meranie rozdielov v rozsahoch hostiteľov medzi typmi DNA plazmidov. S desiatkami tisíc rôznych DNA plazmidov v prirodzených environmentálnych mikróboch poskytuje RAM jednoduchú a lacnú metódu na pochopenie vzťahu medzi plazmidmi a ich hostiteľmi.

"RAM možno použiť na sledovanie pohybu viacerých genetických prvkov v celej mikrobiálnej komunite," povedal Chappell. "To nám umožnilo sledovať pohyb viacerých plazmidov v jedinom experimente a mohlo by sa to rozšíriť o štúdium dynamiky prenosu plazmidov v mikrobiálnych komunitách a interakcií medzi mobilnými genetickými prvkami."

Metóda RAM má potenciálne široké využitie v medicíne, biotechnológii a environmentálnych vedách. Jednou z najpálčivejších obáv je rezistencia na antibiotiká, pretože sledovanie šírenia génov rezistencie a odpadových vôd by mohlo pomôcť predpovedať a predchádzať prepuknutiu infekcií odolných voči liekom. V oblasti bioremediácie a odpadového hospodárstva môže táto technológia vyvinúť mikrobiómy, ktoré efektívne rozložia znečisťujúce látky a zároveň zabezpečia zachovanie prospešných genetických modifikácií. V syntetickej biológii a biotechnológii sa schopnosť produkovať mikrobiómy pre špecifické úlohy, ako je výroba biopalív alebo liečiv, spolieha aj na bezpečný a kontrolovaný prenos génov.

„Potenciál je tu obrovský,“ povedal Stadler. "Teraz máme spôsob, ako študovať, ako baktérie zdieľajú gény v ich prirodzenom prostredí bez toho, aby sme ich museli pestovať v laboratóriu. To otvára dvere novej vlne mikrobiálneho výskumu a aplikácií syntetickej biológie."

V budúcnosti by sa táto technika čiarových kódov mohla rozšíriť a použiť aj na iné formy prepínania génov, ako je transdukcia (prostredníctvom bakteriofágov) a transformácia (priamy príjem DNA). Okrem toho optimalizácia stability Cat RNA a zvýšenie počtu jedinečných čiarových kódov môže umožniť ešte jemnejšie rozlíšenie pri sledovaní mikrobiálnych interakcií.

"S ďalším vývojom by sa čiarové kódy RNA mohli stať univerzálnym nástrojom na ukladanie informácií v environmentálnych komunitách nad rámec dodatočného mikrobiálneho správania, " povedal Silberg.

Zdroje: