In der mikroskopischen Welt der Bakterien ist Gentransfer ein wirkungsvoller Mechanismus, der Zellfunktionen verändern, Antibiotikaresistenzen fördern und sogar ganze Ökosysteme prägen kann. Eine interdisziplinäre Forschergruppe der Rice University hat nun eine innovative RNA-Barcoding-Methode entwickelt, um diesen genetischen Austausch in mikrobiellen Gemeinschaften zu verfolgen. Dies liefert neue Erkenntnisse über die Übertragung von Genen zwischen Arten. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Biotechnology veröffentlicht .
„Wir wissen seit langem, dass Bakterien Gene austauschen, was Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, die Biotechnologie und die Umweltstabilität hat“, sagte James Chappell , außerordentlicher Professor für Biowissenschaften und Bioingenieurwesen. „Aber die Kartierung der am Gentransfer beteiligten Mikroben war bisher eine Herausforderung. Diese neue Technik ermöglicht es uns, diese Informationen direkt in den Zellen selbst aufzuzeichnen.“
Herkömmliche Methoden zur Untersuchung des Gentransfers beinhalten die Markierung mobiler genetischer Elemente mit fluoreszierenden Proteinen oder Antibiotikaresistenzgenen. Diese Ansätze sind zwar effektiv, erfordern aber die Isolierung und Züchtung von Mikroben im Labor, was ihren Einsatz in komplexen Umgebungen einschränkt.
Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte ein interdisziplinäres Team aus den Forschungslaboren von Chappell, Joff Silberg und Lauren Stadler von der Rice University ein neues Werkzeug für die synthetische Biologie. Das Team bestand aus Matthew Dysart, Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle, Li Chieh Lu und August Staubus.
Die neue Methode des Rice-Teams, die sogenannte RNA-adressierbare Modifikation (RAM), umgeht diese Hürden, indem sie eine synthetische katalytische RNA (cat-RNA) verwendet, um ribosomale RNA (rRNA) in lebenden Zellen zu „barcodieren“.
Durch das direkte Schreiben genetischer Informationen in die 16S rRNA – ein in Bakterien weit verbreitetes Molekül – konnten die Forscher verfolgen, welche Mikroben fremde DNA aufgenommen hatten, ohne deren natürliche Umgebung zu beeinträchtigen. Da die gezielte Sequenzierung von 16S rRNA der Goldstandard zur Identifizierung verschiedener Bakterienarten ist, kann diese Methode zudem etablierte und benutzerfreundliche Protokolle und Analysesoftware nutzen.
„Das ist ein Wendepunkt für die Erstellung eines mobilen DNA-Atlas“, sagte Silberg , Stewart Memorial Professor für Biowissenschaften und Bioingenieurwesen. „Anstatt Informationen zufällig in bakterielle DNA zu schreiben, die dauerhaft und mühsam auszulesen ist, schreiben wir Informationen in einen RNA-Bereich, der im gesamten Stammbaum des Lebens hochkonserviert ist. Dadurch sind die Informationen kostengünstig und einfach auszulesen.“
Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher ein kleines Ribozym-basiertes RNA-Molekül (auch katalytische RNA genannt), das beim Gentransfer einen einzigartigen Barcode an 16S rRNA anfügte. Diese cat-RNA wurde mithilfe konjugativer Plasmide, die natürlicherweise in Bakterien vorkommende Genträger sind, in eine mikrobielle Modellgemeinschaft eingebracht.
Im Rahmen des Experiments wurden diese Barcoding-Plasmide in E. coli-Spenderbakterien eingebracht, die dann ihr genetisches Material auf verschiedene Mikroben in einer Abwassergemeinschaft übertrugen. Nach 24 Stunden extrahierten die Forscher die Gesamt-RNA und sequenzierten die barcodierte 16S rRNA.
„Was wir sahen, war bemerkenswert“, sagte Stadler , außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen. „Etwa die Hälfte der Bakterienarten in der Abwassergemeinschaft konnte die Plasmide aufnehmen, was uns eine detaillierte Karte der horizontalen Gentransferereignisse lieferte.“
Die Studie zeigte auch, dass RAM zur Messung von Unterschieden im Wirtsbereich verschiedener DNA-Plasmidtypen eingesetzt werden kann. Angesichts der Zehntausenden verschiedener DNA-Plasmide in natürlichen Umweltmikroben bietet RAM eine einfache und kostengünstige Methode, die Beziehung zwischen Plasmiden und ihren Wirten zu verstehen.
