新的RNA条形码方法追踪微生物群落中的基因转移

新的RNA条形码方法追踪微生物群落中的基因转移

在细菌的微观世界中，基因转移是一种强大的机制，可以改变细胞功能，促进抗生素耐药性，甚至塑造整个生态系统。现在，莱斯大学的一个跨学科研究小组开发了一种创新的 RNA“条形码”方法来追踪微生物群落中的这些遗传交换，为基因跨物种移动的方式提供了新的见解。结果最近发表在天然生物技术。

我们早就知道细菌交换基因的方式会影响人类健康、生物技术和环境稳定性。然而，绘制哪些微生物参与基因转移一直具有挑战性。这项新技术为我们提供了一种在细胞本身中记录这些信息的直接方法。 “

James Chappell，生物科学与生物工程副教授

研究基因转移的传统方法涉及用荧光蛋白或抗生素抗性基因标记移动遗传元件。这些方法虽然有效，但需要在实验室中分离和培养微生物，限制了它们在复杂环境中的使用。

为了应对这一挑战，来自莱斯大学 Chappell、Joff Silberg 和 Lauren Stadler 研究实验室的跨学科团队创建了一种新的合成生物学工具。该团队由 Matthew Dysart、Kiara Reyes Gamas、Lauren Gambill、Prashant Kalvapalle、Li Chieh Lu 和 August Staubus 组成。

水稻研究小组的新方法称为RNA寻址修饰（RAM），通过使用合成催化RNA（Cat-RNA）对活细胞中的核糖体RNA（rRNA）进行“条形码”来绕过这些障碍。

通过将遗传信息直接写入 16S rRNA（一种细菌中常见的分子），研究人员能够追踪哪些微生物获得了外源 DNA，而不会干扰其自然环境。作为 16S rRNA 的靶向测序，该方法也是识别各种细菌物种的黄金标准，可以利用已建立且易于使用的实验方案和分析软件。

“这是创建移动 DNA 图谱的游戏规则改变者，”斯图尔特纪念生物科学教授兼生物工程学教授 Silberg 说。 “我们不是在细菌DNA中随机写入信息，这种信息持久且难以读取，而是在整个生命树中高度保守的RNA区域中写入信息，从而使信息廉价且易于大声朗读。”

为了实现这一目标，研究人员设计了一种基于核酶的小 RNA 分子（也称为催化 RNA），它在基因转移过程中保留了 16S rRNA 的独特条形码。使用接合质粒（细菌中天然存在的基因载体）将这种 Cat RNA 引入模型微生物群落。

该实验涉及将这些条形码质粒引入大肠杆菌供体细菌中，然后将其遗传物质转移到废水群落中的各种微生物中。 24小时后，研究人员提取了总RNA并对带有条形码的16S rRNA进行了测序。

“我们所看到的非常了不起，”土木与环境工程副教授斯塔德勒说。 “废水群落中大约一半的细菌类群可能含有质粒，使我们能够创建水平基因转移事件的详细图谱。”

研究还表明，RAM 可用于测量 DNA 质粒类型之间宿主范围的差异。自然环境微生物中存在数以万计的不同 DNA 质粒，RAM 提供了一种简单且廉价的方法来了解质粒与其宿主之间的关系。

“RAM 可用于跟踪整个微生物群落中多个遗传元件的运动，”查佩尔说。 “这使我们能够在一次实验中跟踪多个质粒的运动，并可以扩展到研究微生物群落中质粒转移的动态以及移动遗传元件之间的相互作用。”

RAM 方法在医学、生物技术和环境科学领域具有广泛的潜在应用。最紧迫的问题之一是抗生素耐药性，因为追踪耐药基因和废水的传播可以帮助预测和预防耐药感染的爆发。在生物修复和废物管理领域，该技术可以开发有效分解污染物的微生物组，同时确保保留有益的基因修饰。在合成生物学和生物技术中，为特定任务（例如生物燃料或药品的生产）生产微生物组的能力也依赖于安全和受控的基因转移。

“这里的潜力是巨大的，”施泰德说。 “我们现在有一种方法可以研究细菌如何在自然栖息地共享基因，而无需在实验室中培养它们。这为新一波微生物研究和合成生物学应用打开了大门。”

将来，这种条形码技术还可以扩展并应用于其他形式的基因转换，例如转导（通过噬菌体）和转化（直接 DNA 摄取）。此外，优化 Cat RNA 稳定性并增加独特条形码的数量可以在跟踪微生物相互作用时实现更精细的分辨率。

Silberg 说：“随着进一步的发展，RNA 条形码可能成为一种通用工具，用于在环境群落中存储除其他微生物行为之外的信息。”

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