Живи баркодове: Революция в генетиката – маркиране на РНК за картографиране на генетичния обмен
Новият способ може да се окаже ефикасно оръжие против супербактериите.
В света на микробите хоризонталният транспорт на гените играе основна роля в смяната на клетъчните функционалности, развиването на антибиотичната устойчивост и оформянето на екосистемите. Изследователи от Университета Райс създадоха нов способ за „ баркодиране “ на РНК, който наблюдава този генетичен продан в микробните общности. Новият метод разкрива недостъпни до момента детайлности за разпределението на гените сред другите бактериални типове. Изследването е оповестено в списание Nature Biotechnology.
Джеймс Чапъл, професор по биологични науки и биоинженерство, отбелязва, че учените от дълго време знаят за способността на бактериите да обменят гени, само че до момента не е имало комфортен метод за точното и точно картографиране на този развой. Новият способ дава опция да се записва информацията за прехвърлянето на гените напряко в клетките, което открива кардинално нови благоприятни условия за проучвания.
Досега проучването на хоризонталния трансфер на гените се основаваше на потреблението на флуоресцентни протеини или гени за антибиотична устойчивост, което изискваше лабораторно обработване на бактериите. Тези способи обаче не работят добре в естествени условия. За да преодолеят това ограничаване, откривателите от Университета Райс сътвориха инструмент, основан на синтетичната биология, наименуван РНК-адресируема трансформация – RAM (RNA-addressable modification). В създаването му са взели участие специалисти от лабораториите на Чапъл, Джоф Силбърг и Лорън Стадлър.
RAM употребява каталитична РНК (cat-RNA), с цел да „ кодира “ рибозомната РНК в живите кафези. Чрез вграждане на генетичната информация непосредствено 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 витални процеси. Освен това, защото 16S рРНК обичайно се употребява за идентифициране на бактериите, този способ може елементарно да се интегрира със съществуващите принадлежности за разбор.
Професор Силберг счита, че създаването на RAM е същински пробив. Вместо да се трансформира ДНК, чието дешифриране е мъчно и скъпо, информацията се записва в РНК – молекула, която има постоянна конструкция в множеството живи организми. Това прави процеса на ниска цена и комфортен.
По време на опитите учените основават дребна рибозимна молекула, която прибавя неповторим „ 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 трансферира баркодираните плазмиди на другите микроби в общността на отпадъчните води. След 24 часа откривателите са извлекли общия пул от РНК и са секвенирали 16S рРНК.
Резултатите са впечатляващи: съвсем половината от бактериалните типове в тестът са съумели да обхванат плазмидите, създавайки подробна карта на събитията, свързани с хоризонталния трансфер на гените. Освен това изследването сподели, че RAM може да прави разлика сред другите типове плазмиди и техните носители, което е изключително значимо поради голямото многообразие на тези детайли в природата.
Chappell акцентира, че RAM е в положение да наблюдава придвижването на голям брой генетични детайли в границите на един опит. Това открива вероятност за проучване на взаимоотношенията на мобилните гени в микробните общности. В дълготраен проект методът би могъл да откри приложения, вариращи от битката с проблемите с антибиотичната устойчивост, където RAM би могла да играе основна роля, до разпространяването на гените за антибиотична устойчивост. Възможността да се наблюдава по какъв начин и къде се предават такива гени ще помогне да се предвиждат огнищата на резистентни инфекции в лечебните заведения и водните системи. Това би могло да бъде значим инструмент за попречване на епидемиите, свързани с резистентни към медикаментите бактерии.
В допълнение към медицината, RAM технологията открива нови благоприятни условия в региона на биоремедиацията – разчистване на околната среда благодарение на микроорганизми. По-конкретно, учените ще могат да учат и управляват преноса на потребните гени, виновни за разграждането на токсични субстанции, като по този метод подсигуряват сигурността на сходен жанр интервенции. Например в системите за филтриране на отпадъчните води ще бъде допустимо да се следи и управлява разпространяването на гените, кодиращи ензимите, които разграждат замърсяващите съединения.
Друго евентуално приложение е в синтетичната биология и биотехнологията. Възможността за програмиране на микробни общности за осъществяване на характерни функционалности, като да вземем за пример произвеждане на биогорива или фармацевтични артикули, изисква акуратен надзор върху генетичните промени. Оперативната памет може да обезпечи този надзор, позволявайки на откривателите безвредно да вкарват и следят изкуствени генетични модификации в комплицирани микробни екосистеми.
Професор Щадлер счита, че методът открива кардинално нови благоприятни условия.
„ Вече можем да учим по какъв начин бактериите обменят гени в естествената си среда, без да ги отглеждаме в лабораторна среда. Това коренно трансформира метода към проучванията на микробите “, споделя тя.
В бъдеще технологията за РНК-баркодиране може да бъде разширена, с цел да се изследват и други механизми на водоравен трансфер на гените, като трансдукция (трансфер на гени благодарение на бактериофаги) и промяна (директно приемане на ДНК от околната среда). Освен това по-нататъшното усъвършенстване на кат-РНК може да усъвършенства стабилността на баркодовете и да усили техния брой, което ще разреши провеждането на проучвания с още по-голяма точност.
Силберг прибавя, че с по-нататъшното си развиване РНК-баркодът може да се трансформира в повсеместен инструмент за записване на информация за микробните общности. В допълнение към следенето на прехвърлянето на гените, тази технология може евентуално да улови други значими микробни процеси, като да вземем за пример метаболитните взаимоотношения или реакциите към измененията в околната среда. Това би могло да докара до напълно нови способи за проучване на микробиома и неговата роля в екосистемите.
По този метод създаването на RAM освен напредва във фундаменталната просвета за микробите, само че и открива на практика способи за решение на основни проблеми в медицината, екологията и биотехнологиите.
