Nova metoda črtnega kodiranja RNA sledi prenosu genov v mikrobnih skupnostih

Nova metoda črtnega kodiranja RNA sledi prenosu genov v mikrobnih skupnostih

V mikroskopskem svetu bakterij je prenos genov močan mehanizem, ki lahko spremeni celično delovanje, spodbuja odpornost na antibiotike in celo oblikuje celotne ekosisteme. Zdaj je interdisciplinarna skupina raziskovalcev na Univerzi Rice razvila inovativno metodo »črtnega kodiranja« RNK za sledenje teh genetskih izmenjav v mikrobnih skupnostih, kar zagotavlja nov vpogled v način premikanja genov med vrstami. Rezultati so bili nedavno objavljeni vNaravna biotehnologija.

Že dolgo vemo, da bakterije izmenjujejo gene na načine, ki vplivajo na zdravje ljudi, biotehnologijo in stabilnost okolja. Vendar je bilo kartiranje, kateri mikrobi sodelujejo pri prenosu genov, zahtevno. Ta nova tehnika nam omogoča neposreden način za beleženje teh informacij v samih celicah. “

James Chappell, izredni profesor bioloških znanosti in bioinženiringa

Tradicionalne metode za preučevanje prenosa genov vključujejo označevanje mobilnih genetskih elementov s fluorescenčnimi proteini ali geni za odpornost na antibiotike. Čeprav so ti pristopi učinkoviti, zahtevajo izolacijo in rast mikrobov v laboratoriju, kar omejuje njihovo uporabo v kompleksnih okoljih.

Za reševanje tega izziva je interdisciplinarna ekipa iz raziskovalnih laboratorijev Rice's Chappell, Joff Silberg in Lauren Stadler ustvarila novo orodje za sintetično biologijo. To ekipo so sestavljali Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu in August Staubus.

Nova metoda ekipe riža, imenovana RNA-addressing modification (RAM), te ovire premaga z uporabo sintetične katalitične RNA (Cat-RNA) za "črtno kodiranje" ribosomske RNA (rRNA) v živih celicah.

Z zapisovanjem genetskih informacij neposredno v 16S rRNA – molekulo, ki jo običajno najdemo v bakterijah – so raziskovalci lahko sledili, kateri mikrobi so pridobili tujo DNK, ne da bi motili njihovo naravno okolje. Kot ciljno sekvenciranje 16S rRNA je ta metoda tudi zlati standard za identifikacijo različnih bakterijskih vrst, ki lahko uporabljajo uveljavljene in za uporabo preproste protokole in programsko opremo za analizo.

"To je sprememba igre pri ustvarjanju mobilnega atlasa DNK," je dejal Silberg, profesor bioloških znanosti Stewart Memorial in profesor bioinženiringa. "Namesto naključnega zapisovanja informacij v bakterijski DNK, ki je obstojna in težavna za branje, pišemo informacije v regiji RNK, ki je zelo ohranjena v celotnem drevesu življenja, zaradi česar so informacije poceni in enostavne za branje na glas."

Da bi to dosegli, so raziskovalci zasnovali majhno molekulo RNA na osnovi ribozima (imenovano tudi katalitična RNA), ki je obdržala edinstveno črtno kodo 16S rRNA med prenosom genov. Ta Cat RNA je bila uvedena v model mikrobne skupnosti z uporabo konjugiranih plazmidov, ki so naravno prisotni nosilci genov v bakterijah.

Eksperiment je vključeval uvedbo teh črtnih plazmidov v donorske bakterije E. coli, ki so nato svoj genski material prenesle na različne mikrobe v skupnosti odpadnih voda. Po 24 urah so raziskovalci ekstrahirali celotno RNK in sekvencirali črtno kodirano 16S rRNA.

"Kar smo videli, je bilo izjemno," je dejal Stadler, izredni profesor gradbenega in okoljskega inženirstva. "Približno polovica bakterijskih taksonov v skupnosti odpadnih voda bi lahko vsebovala plazmide, kar bi nam omogočilo, da ustvarimo podroben zemljevid dogodkov horizontalnega prenosa genov."

Študija je tudi pokazala, da se RAM lahko uporablja za merjenje razlik v obsegu gostiteljev med vrstami plazmidov DNA. Z več deset tisoči različnih DNA plazmidov v naravnih okoljskih mikrobih RAM zagotavlja preprosto in poceni metodo za razumevanje odnosa med plazmidi in njihovimi gostitelji.

"RAM se lahko uporablja za sledenje gibanja več genetskih elementov v celotni mikrobni skupnosti," je dejal Chappell. "To nam je omogočilo sledenje gibanju več plazmidov v enem poskusu in bi ga lahko razširili na preučevanje dinamike prenosa plazmidov v mikrobnih skupnostih in interakcij med mobilnimi genetskimi elementi."

Metoda RAM ima potencialno široko uporabo v medicini, biotehnologiji in okoljskih znanostih. Ena najbolj perečih skrbi je odpornost na antibiotike, saj bi sledenje širjenju genov za odpornost in odpadne vode lahko pomagalo napovedati in preprečiti izbruhe okužb, odpornih na zdravila. Na področju bioremediacije in ravnanja z odpadki lahko ta tehnologija razvije mikrobiome, ki učinkovito razgrajujejo onesnaževala, hkrati pa zagotavljajo, da se ohranijo koristne genske spremembe. V sintetični biologiji in biotehnologiji je zmožnost proizvodnje mikrobiomov za specifične naloge, kot je proizvodnja biogoriv ali farmacevtskih izdelkov, prav tako odvisna od varnega in nadzorovanega prenosa genov.

"Tukaj je potencial ogromen," je dejal Stadler. "Zdaj imamo način, da preučimo, kako bakterije delijo gene v svojem naravnem okolju, ne da bi jih morali gojiti v laboratoriju. To odpira vrata novemu valu raziskav mikrobov in aplikacij sintetične biologije."

V prihodnosti bi lahko to tehniko črtnega kodiranja razširili in uporabili tudi za druge oblike preklopa genov, kot sta transdukcija (prek bakteriofagov) in transformacija (neposredni prevzem DNA). Poleg tega lahko optimizacija stabilnosti Cat RNA in povečanje števila edinstvenih črtnih kod omogočita še boljšo ločljivost pri sledenju mikrobnim interakcijam.

"Z nadaljnjim razvojem bi RNK črtno kodiranje lahko postalo univerzalno orodje za shranjevanje informacij v okoljskih skupnostih, ki presegajo dodatna mikrobna vedenja," je dejal Silberg.

Viri: