Живые штрихкоды: учёные научились метить РНК для картирования генетических обменов

В мире микробов горизонтальный перенос генов играет ключевую роль в изменении клеточных функций, развитии антибиотикорезистентности и формировании экосистем. Ученые из Университета Райса разработали инновационный метод "баркодирования" РНК, который позволяет отслеживать эти генетические обмены в микробных сообществах. Новый подход раскрывает ранее недоступные детали распространения генов между различными видами бактерий. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.

Джеймс Чаппелл, профессор биологических наук и биоинженерии, отметил, что ученые давно знают о способности бактерий обмениваться генами, но до сих пор не существовало удобного способа точно картировать этот процесс. Новый метод позволяет записывать информацию о переносе генов прямо внутри клеток, что открывает принципиально новые возможности для исследований.

Ранее изучение горизонтального переноса генов основывалось на использовании флуоресцентных белков или генов устойчивости к антибиотикам, что требовало лабораторного культивирования бактерий. Однако в естественных условиях такие методы плохо работают. Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи из Университета Райса создали инструмент на основе синтетической биологии, получивший название RNA-addressable modification (RAM). В его разработке участвовали специалисты из лабораторий Чаппелла, Джоффа Силберга и Лорен Стэдлер.

RAM использует каталитическую РНК (cat-RNA) для «баркодирования» рибосомной РНК внутри живых клеток. Встраивая генетическую информацию непосредственно в 16S рРНК – универсальную молекулу, присутствующую у всех бактерий, ученые могут отслеживать, какие микроорганизмы получили новый генетический материал, не вмешиваясь в естественные процессы их жизни. Более того, поскольку 16S рРНК традиционно используется для идентификации бактерий, этот метод легко интегрируется с существующими инструментами анализа.

Профессор Силберг считает, что разработка RAM – это настоящий прорыв. Вместо того чтобы изменять ДНК, что сложно и затратно в расшифровке, информация записывается в РНК – молекулу, которая имеет стабильную структуру у большинства живых организмов. Это делает процесс дешёвым и удобным.

В ходе экспериментов ученые создали небольшую рибозимную молекулу, которая при переносе генов добавляла уникальный "штрихкод" к 16S рРНК бактерий. Этот механизм запускался с помощью конъюгативных плазмид – естественных переносчиков генов в бактериальном мире. Метод протестировали на кишечной палочке (E. coli), которая передавала баркодированные плазмиды другим микробам в сообществе сточных вод. Через 24 часа исследователи извлекли общий РНК-пул и секвенировали 16S рРНК.

Результаты оказались впечатляющими: почти половина бактериальных видов в пробе была способна поглотить плазмиды, что позволило создать подробную карту событий горизонтального переноса генов. Кроме того, исследование показало, что RAM позволяет различать разные типы плазмид и их хозяев, что особенно важно, учитывая колоссальное разнообразие этих элементов в природе.

Чаппелл подчеркивает, что RAM способен отслеживать перемещение множества генетических элементов в одном эксперименте. Это открывает перспективы изучения взаимодействий мобильных генов в микробных сообществах. В долгосрочной перспективе метод может найти применение в самых разных сферах – от борьбы с антибиотикорезистальных проблем, где RAM может сыграть ключевую роль, является распространение генов антибиотикорезистентности. Способность отслеживать, как и где передаются такие гены, поможет предсказывать вспышки устойчивых инфекций в больницах и системах водоснабжения. Это может стать важным инструментом для профилактики эпидемий, связанных с лекарственно-устойчивыми бактериями.

Помимо медицины, технология RAM открывает возможности в области биоремедиации – очистки окружающей среды с помощью микроорганизмов. В частности, ученые смогут изучать и контролировать перенос полезных генов, ответственных за разложение токсичных веществ, обеспечивая безопасность таких вмешательств. Например, в системах очистки сточных вод можно будет отслеживать и управлять распространением генов, кодирующих ферменты, расщепляющие загрязняющие соединения.

Еще одна потенциальная сфера применения – синтетическая биология и биотехнологии. Возможность программировать микробные сообщества для выполнения определенных функций, например, производства биотоплива или фармацевтических веществ, требует четкого контроля за генетическими изменениями. RAM может обеспечить этот контроль, позволяя исследователям безопасно вводить и отслеживать искусственные генетические модификации в сложных микробных экосистемах.

Профессор Стэдлер считает, что метод открывает принципиально новые возможности. «Теперь мы можем изучать, как бактерии обмениваются генами в их естественной среде, не выращивая их в лаборатории. Это радикально меняет подход к микробным исследованиям», – говорит она.

В перспективе технология RNA-баркодирования может быть расширена для изучения других механизмов горизонтального переноса генов, таких как трансдукция (передача генов с помощью вирусов-бактериофагов) и трансформация (прямое поглощение ДНК из окружающей среды). Кроме того, дальнейшая оптимизация cat-RNA может повысить стабильность баркодов и увеличить их количество, что позволит проводить исследования с еще более высокой точностью.

Силберг добавляет, что с дальнейшим развитием RNA-баркодирование может стать универсальным инструментом для регистрации информации о микробных сообществах. Помимо отслеживания передачи генов, эта технология потенциально сможет фиксировать другие важные микробные процессы, такие как метаболические взаимодействия или реакции на изменения окружающей среды. Это может привести к появлению совершенно новых методов изучения микробиома и его роли в экосистемах.

Таким образом, разработка RAM не только продвигает фундаментальную науку о микробах, но и открывает практические пути решения ключевых проблем в медицине, экологии и биотехнологиях.