Ny RNA-streckkodningsmetod spårar genöverföring i mikrobiella samhällen

Ny RNA-streckkodningsmetod spårar genöverföring i mikrobiella samhällen

I bakteriernas mikroskopiska värld är genöverföring en kraftfull mekanism som kan förändra cellulär funktion, främja antibiotikaresistens och till och med forma hela ekosystem. Nu har en tvärvetenskaplig grupp forskare vid Rice University utvecklat en innovativ "streckkodnings"-metod för RNA för att spåra dessa genetiska utbyten i mikrobiella samhällen, vilket ger nya insikter om hur gener rör sig mellan arter. Resultaten publicerades nyligen iNaturlig bioteknik.

Vi har länge vetat att bakterier byter gener på sätt som påverkar människors hälsa, bioteknik och miljöstabilitet. Att kartlägga vilka mikrober som är involverade i genöverföring har dock varit utmanande. Denna nya teknik ger oss ett direkt sätt att registrera denna information i själva cellerna. "

James Chappell, docent i biovetenskap och bioteknik

Traditionella metoder för att studera genöverföring involverar märkning av mobila genetiska element med fluorescerande proteiner eller antibiotikaresistensgener. Även om de är effektiva kräver dessa tillvägagångssätt isolering och tillväxt av mikrober i ett laboratorium, vilket begränsar deras användning i komplexa miljöer.

För att möta denna utmaning har ett tvärvetenskapligt team från Rice's Chappell, Joff Silberg och Lauren Stadler forskningslaboratorier skapat ett nytt syntetiskt biologiverktyg. Detta lag bestod av Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu och August Staubus.

Risteamets nya metod, kallad RNA-adresseringsmodifiering (RAM), kommer runt dessa hinder genom att använda ett syntetiskt katalytiskt RNA (Cat-RNA) för att "streckkoda" ribosomalt RNA (rRNA) i levande celler.

Genom att skriva genetisk information direkt in i 16S rRNA - en molekyl som vanligtvis finns i bakterier - kunde forskare spåra vilka mikrober som förvärvade främmande DNA utan att störa deras naturliga miljö. Som en riktad sekvensering av 16S rRNA är denna metod också guldstandarden för att identifiera olika bakteriearter som kan använda etablerade och lättanvända protokoll och analysmjukvara.

"Detta är en spelomvandlare för att skapa en mobil DNA-atlas", säger Silberg, Stewart Memorial Professor of Biosciences och professor i bioteknik. "Istället för att skriva information slumpmässigt i bakteriellt DNA, som är ihållande och mödosamt att läsa, skriver vi information i en region av RNA som är mycket bevarad genom hela livets träd, vilket gör informationen billig och lätt att läsa högt."

För att uppnå detta designade forskarna en liten ribozym-baserad RNA-molekyl (även kallad katalytisk RNA) som behöll en unik streckkod av 16S rRNA under genöverföring. Detta Cat RNA introducerades i en mikrobiell modellgemenskap med hjälp av konjugativa plasmider, som är naturligt förekommande genbärare i bakterier.

Experimentet involverade att introducera dessa streckkodsplasmider i E. coli-donatorbakterier, som sedan överförde deras genetiska material till olika mikrober i ett avloppsvattensamhälle. Efter 24 timmar extraherade forskarna totalt RNA och sekvenserade streckkodade 16S rRNA.

"Det vi såg var anmärkningsvärt", säger Stadler, docent i civil- och miljöteknik. "Ungefär hälften av bakterietaxan i avloppsvattensamhället kan hysa plasmiderna, vilket gör att vi kan skapa en detaljerad karta över horisontella genöverföringshändelser."

Studien visade också att RAM kan användas för att mäta skillnaderna i värdintervall mellan DNA-plasmidtyper. Med tiotusentals olika DNA-plasmider i naturliga miljömikrober ger RAM en enkel och billig metod för att förstå förhållandet mellan plasmider och deras värdar.

"RAM kan användas för att spåra rörelsen av flera genetiska element genom en hel mikrobiell gemenskap," sade Chappell. "Detta gjorde det möjligt för oss att spåra rörelsen av flera plasmider i ett enda experiment och kunde utökas för att studera dynamiken för plasmidöverföring i mikrobiella samhällen och interaktioner mellan mobila genetiska element."

RAM-metoden har potentiellt omfattande tillämpningar inom medicin, bioteknik och miljövetenskap. En av de mest akuta problemen är antibiotikaresistens, eftersom spårning av spridningen av resistensgener och avloppsvatten kan hjälpa till att förutsäga och förhindra utbrott av läkemedelsresistenta infektioner. Inom området biosanering och avfallshantering kan denna teknik utveckla mikrobiomer som effektivt bryter ned föroreningar samtidigt som den säkerställer att fördelaktiga genetiska modifieringar bevaras. Inom syntetisk biologi och bioteknik är förmågan att producera mikrobiomer för specifika uppgifter som produktion av biobränslen eller läkemedel också beroende av säker och kontrollerad genöverföring.

"Potentialen här är enorm," sa Stadler. "Vi har nu ett sätt att studera hur bakterier delar gener i sin naturliga livsmiljö utan att behöva odla dem i ett laboratorium. Detta öppnar dörren till en ny våg av mikrobiell forskning och syntetisk biologi."

I framtiden kan denna streckkodsteknik även utökas och tillämpas på andra former av genbyte som transduktion (via bakteriofager) och transformation (direkt DNA-upptag). Dessutom kan optimering av Cat RNA-stabilitet och öka antalet unika streckkoder möjliggöra ännu finare upplösning vid spårning av mikrobiella interaktioner.

"Med ytterligare utveckling kan RNA-streckkodning bli ett universellt verktyg för att lagra information i miljösamhällen bortom ytterligare mikrobiella beteenden," sa Silberg.

Källor: