В мире бактерий передача генов является мощным механизмом, который может изменять клеточные функции, вызывать резистентность к антибиотикам и даже формировать целые экосистемы.
Междисциплинарная группа исследователей из Университета Райса (США) разработала инновационный метод "РНК-штрих-кодирования", позволяющий отслеживать эти генетические обмены в микробных сообществах, что дает новое представление о том, как гены перемещаются между видами. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Biotechnology. «Мы давно знаем, что бактерии обмениваются генами, оказывая влияние на здоровье человека, биотехнологии и стабильность окружающей среды», - говорит руководитель исследования Джофф Силберг. «Но определить, какие именно микроорганизмы участвуют в переносе генов, было непросто. Новая методика дает нам прямой способ записать эту информацию внутри самих клеток».
Традиционные методы изучения переноса генов предполагают маркировку мобильных генетических элементов флуоресцентными белками или генами резистентности к антибиотикам. Несмотря на свою эффективность, эти методы требуют выделения и культивирования микробов в лабораторных условиях, что ограничивает их применение в сложных средах. Чтобы решить эту проблему исследовательская группа создала новый инструмент синтетической биологии. Новый метод, названный РНК-адресуемой модификацией (RAM), позволяет обойти эти препятствия, используя синтетическую каталитическую РНК (cat-RNA) для «штрих-кодирования» рибосомальной РНК (рРНК) внутри живых клеток.
Записывая генетическую информацию непосредственно в 16S рРНК - молекулу, которая повсеместно встречается у бактерий, - исследователи могут отслеживать, какие микробы приобретают чужеродную ДНК, не нарушая их естественную среду обитания. Кроме того, поскольку целенаправленное секвенирование 16S рРНК является золотым стандартом для идентификации различных видов бактерий, этот метод может использовать устоявшиеся и простые в использовании протоколы и программное обеспечение для анализа. «Это революционный шаг в создании мобильного атласа ДНК», - считает Силберг. «Вместо того чтобы записывать информацию в случайном порядке в бактериальную ДНК, которая является постоянной и сложной для считывания, мы записываем ее в область РНК, которая является высококонсервативной на всем древе жизни, что делает информацию дешевой и простой для считывания».
Для этого исследователи сконструировали небольшую молекулу РНК на основе рибозима (также называемую каталитической РНК), которая при переносе гена прикрепляла уникальный штрих-код к 16S рРНК. Эта cat-РНК была введена в модельное микробное сообщество с помощью конъюгативных плазмид, которые являются естественными носителями генов в бактериях. В ходе эксперимента эти штрих-кодирующие плазмиды были введены в бактерии-доноры E. coli, которые затем передали свой генетический материал различным микробам в сообществе микроорганизмов сточных вод. Через 24 часа исследователи извлекли суммарную РНК и секвенировали штрих-кодированную 16S рРНК.
«То, что мы увидели, было поразительно», - рассказал Силберг. «Около половины бактериальных таксонов в сообществе сточных вод смогли захватить плазмиды, что позволило нам получить подробную карту событий горизонтального переноса генов». Исследование также показало, что RAM можно использовать для измерения различий в ареалах обитания разных типов ДНК-плазмид. Учитывая, что в природных микроорганизмах встречаются десятки тысяч различных ДНК-плазмид, RAM представляет собой простой и экономичный метод, позволяющий начать изучение взаимоотношений между плазмидами и их хозяевами. «RAM можно использовать для отслеживания перемещения множества генетических элементов по всему микробному сообществу», - говорит Силберг. «Это позволило нам отследить перемещение нескольких плазмид в одном эксперименте и может быть расширено для изучения динамики передачи плазмид в микробных сообществах и взаимодействий между мобильными генетическими элементами».
Метод RAM может найти далеко идущее применение в медицине, биотехнологии и экологии. Одной из наиболее актуальных проблем является устойчивость к антибиотикам, поскольку отслеживание распространения резистентных генов в стационарах и сточных водах может помочь предсказать и предотвратить вспышки лекарственно-устойчивых инфекций. В области биоремедиации и утилизации отходов эта технология позволяет создавать микробиомы, которые эффективно расщепляют загрязняющие вещества, обеспечивая при этом сохранение полезных генетических модификаций. Кроме того, в синтетической биологии и биотехнологии возможность программирования микробиомов для выполнения конкретных задач, таких как производство биотоплива или фармацевтических препаратов, зависит от безопасного и контролируемого переноса генов.
«Потенциал здесь огромен», - считает Силберг. «Теперь у нас есть возможность изучать, как бактерии обмениваются генами в своей естественной среде обитания, без необходимости культивировать их в лаборатории. Это открывает двери для новой волны исследований микроорганизмов и приложений синтетической биологии». В будущем этот метод штрих-кодирования может быть расширен и применен к другим формам обмена генами, таким как трансдукция (посредством бактериофагов) и трансформация (прямое поглощение ДНК). Кроме того, оптимизация стабильности cat-РНК и увеличение количества уникальных штрих-кодов может позволить получить еще более тонкое разрешение при отслеживании микробных взаимодействий. «При дальнейшем развитии РНК-штрих-кодирование может стать универсальным инструментом для хранения информации в экологических сообществах о дополнительных видах поведения микроорганизмов, помимо переноса генов», - утверждает Силберг.
