Живи баркодове: Революция в генетиката – маркиране на РНК за картографиране на генетичния обмен

Новият метод може да се окаже ефикасно оръжие срещу супербактериите.

В света на микробите хоризонталният пренос на гените играе ключова роля в промяната на клетъчните функции, развитието на антибиотичната резистентност и оформянето на екосистемите. Изследователи от Университета Райс разработиха нов метод за „баркодиране“ на РНК, който проследява този генетичен обмен в микробните общности. Новият подход разкрива недостъпни досега подробности за разпределението на гените между различните бактериални видове. Изследването е публикувано в списание Nature Biotechnology.

Джеймс Чапъл, професор по биологични науки и биоинженерство, отбелязва, че учените отдавна знаят за способността на бактериите да обменят гени, но досега не е имало удобен начин за точното и прецизно картографиране на този процес. Новият метод дава възможност да се записва информацията за трансфера на гените направо в клетките, което открива принципно нови възможности за изследвания.

Досега изследването на хоризонталния трансфер на гените се основаваше на използването на флуоресцентни протеини или гени за антибиотична резистентност, което изискваше лабораторно култивиране на бактериите. Тези методи обаче не работят добре в естествени условия. За да преодолеят това ограничение, изследователите от Университета Райс създадоха инструмент, базиран на синтетичната биология, наречен РНК-адресируема модификация – RAM (RNA-addressable modification). В разработването му са участвали експерти от лабораториите на Чапъл, Джоф Силбърг и Лорън Стадлър.

RAM използва каталитична РНК (cat-RNA), за да „кодира“ рибозомната РНК в живите клетки. Чрез вграждане на генетичната информация директно в 16S рРНК, универсална молекула, която се среща във всички бактерии, учените могат да проследят кои микроорганизми са се сдобили с новия генетичен материал, без да се намесват в естествените им жизнени процеси. Освен това, тъй като 16S рРНК традиционно се използва за идентифициране на бактериите, този метод може лесно да се интегрира със съществуващите инструменти за анализ.

Професор Силберг смята, че разработването на RAM е истински пробив. Вместо да се променя ДНК, чието дешифриране е трудно и скъпо, информацията се записва в РНК – молекула, която има стабилна структура в повечето живи организми. Това прави процеса евтин и удобен.

По време на експериментите учените създават малка рибозимна молекула, която добавя уникален „баркод“ към 16S рРНК на бактериите по време на прехвърлянето на гена. Този механизъм бил задействан от конюгиращите плазмиди – естествените носители на гени в света на бактериите. Методът е тестван върху Escherichia coli (E. coli), която прехвърля баркодираните плазмиди на другите микроби в общността на отпадъчните води. След 24 часа изследователите са извлекли общия пул от РНК и са секвенирали 16S рРНК.

Резултатите са впечатляващи: почти половината от бактериалните видове в пробата са успели да погълнат плазмидите, създавайки подробна карта на събитията, свързани с хоризонталния трансфер на гените. Освен това проучването показа, че RAM може да прави разлика между различните видове плазмиди и техните носители, което е особено важно предвид огромното разнообразие на тези елементи в природата.

Chappell подчертава, че RAM е в състояние да проследява движението на множество генетични елементи в рамките на един експеримент. Това открива перспектива за изучаване на взаимодействията на мобилните гени в микробните общности. В дългосрочен план методът би могъл да намери приложения, вариращи от борбата с проблемите с антибиотичната резистентност, където RAM би могла да играе ключова роля, до разпространението на гените за антибиотична резистентност. Възможността да се проследи как и къде се предават такива гени ще помогне да се прогнозират огнищата на резистентни инфекции в болниците и водните системи. Това би могло да бъде важен инструмент за предотвратяване на епидемиите, свързани с резистентни към лекарствата бактерии.

В допълнение към медицината, RAM технологията открива нови възможности в областта на биоремедиацията – почистване на околната среда с помощта на микроорганизми. По-конкретно, учените ще могат да изучават и контролират преноса на полезните гени, отговорни за разграждането на токсични вещества, като по този начин гарантират безопасността на подобен род интервенции. Например в системите за пречистване на отпадъчните води ще бъде възможно да се наблюдава и контролира разпространението на гените, кодиращи ензимите, които разграждат замърсяващите съединения.

Друго потенциално приложение е в синтетичната биология и биотехнологията. Възможността за програмиране на микробни общности за изпълнение на специфични функции, като например производство на биогорива или фармацевтични продукти, изисква прецизен контрол върху генетичните промени. Оперативната памет може да осигури този контрол, позволявайки на изследователите безопасно да въвеждат и наблюдават изкуствени генетични модификации в сложни микробни екосистеми.

Професор Щадлер смята, че методът открива принципно нови възможности.

„Вече можем да изучаваме как бактериите обменят гени в естествената си среда, без да ги отглеждаме в лабораторна среда. Това радикално променя подхода към изследванията на микробите“, казва тя.

В бъдеще технологията за РНК-баркодиране може да бъде разширена, за да се изследват и други механизми на хоризонтален трансфер на гените, като трансдукция (трансфер на гени с помощта на бактериофаги) и трансформация (директно приемане на ДНК от околната среда). Освен това по-нататъшното оптимизиране на кат-РНК може да подобри стабилността на баркодовете и да увеличи техния брой, което ще позволи провеждането на изследвания с още по-голяма прецизност.

Силберг добавя, че с по-нататъшното си развитие РНК-баркодът може да се превърне в универсален инструмент за записване на информация за микробните общности. В допълнение към проследяването на трансфера на гените, тази технология може потенциално да улови други важни микробни процеси, като например метаболитните взаимодействия или реакциите към промените в околната среда. Това би могло да доведе до изцяло нови методи за изучаване на микробиома и неговата роля в екосистемите.

По този начин разработването на RAM не само напредва във фундаменталната наука за микробите, но и открива практически начини за решаване на ключови проблеми в медицината, екологията и биотехнологиите.