在细菌的微观世界中，基因转移是一种强大的机制，能够改变细胞功能、推动抗生素耐药性，甚至塑造整个生态系统。现在，莱斯大学的一个跨学科研究小组开发了一种创新的RNA“条形码”方法，用于跟踪微生物群落中的这些遗传交换，提供了基因如何跨物种移动的新见解。研究结果最近发表在《自然生物技术》上。
“我们早就知道细菌以影响人类健康、生物技术和环境稳定性的方式交换基因，”生物科学和生物工程的副教授詹姆斯·查佩尔说。“但是，绘制哪些微生物参与基因转移一直很具挑战性。这项新技术让我们能够直接在细胞内部记录这些信息。”
传统的基因转移研究方法涉及使用荧光蛋白或抗生素耐药基因标记移动遗传元素。虽然这些方法有效，但它们需要在实验室中分离和培养微生物，因此在复杂环境中的使用受到限制。
为了解决这个挑战，莱斯大学的查佩尔、乔夫·西尔伯格和劳伦·斯达勒的研究实验室组成了一个跨学科团队。这个团队由马修·迪萨特、基亚拉·雷耶斯·加马斯、劳伦·甘比尔、普拉尚特·卡尔瓦帕勒、李杰·卢和奥古斯特·斯陶布斯组成。
莱斯团队的新方法称为RNA可寻址修饰（RAM），通过使用合成催化RNA（cat-RNA）来“条形码”活细胞内的核糖体RNA（rRNA），绕过了这些障碍。
通过将遗传信息直接写入16S rRNA——这种分子在细菌中普遍存在——研究人员能够跟踪哪些微生物获取了外源DNA，而不干扰它们的自然环境。此外，由于对16S rRNA的靶向测序是识别不同细菌物种的金标准，因此该方法可以利用已建立且易于使用的协议和分析软件。
“这对创建一个移动DNA图谱来说是一个重大变化，”生物科学的斯图尔特纪念教授和生物工程教授西尔伯格说。“我们不是在细菌DNA中任意写入信息，这种信息是永久的且难以读取，而是将信息写在生命树上高度保守的RNA区域，使得信息便宜且易于读取。”
为了实现这一点，研究人员设计了一种小型的基因酶基础的RNA分子（也称为催化RNA），它在基因转移时将独特的条形码附加到16S rRNA上。通过使用自然发生的细菌基因载体——共轭质粒，将这种cat-RNA引入模型微生物群落中。
实验涉及向大肠杆菌供体细菌中引入这些条形码质粒，然后它们将遗传物质转移到废水社区中的各种微生物中。24小时后，研究人员提取总RNA并对条形码的16S rRNA进行测序。
“我们看到的结果是显著的，”土木与环境工程副教授斯达勒说。“废水社区中的大约一半细菌分类群能够获取质粒，为我们提供了横向基因转移事件的详细地图。”
该研究还表明，RAM可以用于测量不同DNA质粒类型之间的宿主范围差异。在自然环境微生物中发现数万种不同的DNA质粒，RAM提供了一种简单且具有成本效益的方法，开始了解质粒及其宿主之间的关系。
“RAM可以用于跟踪整个微生物群落中多种遗传元素的移动，”查佩尔说。“这使我们能够在一次实验中跟踪多种质粒的移动，并可以扩展到研究微生物群落中质粒转移的动态和移动遗传元素之间的相互作用。”
RAM方法在医学、生物技术和环境科学中可能具有广泛的应用。最紧迫的关注之一是抗生素耐药性，因为跟踪耐药基因在医院和废水中传播的方式可以帮助预测和防止耐药感染的暴发。在生物修复和废物管理领域，这项技术有潜力工程出能够有效分解污染物的微生物群落，同时确保有益的遗传改造保持在控制范围内。此外，在合成生物学和生物技术领域，编程微生物群落执行特定任务的能力，如生产生物燃料或药物，依赖于安全和受控的基因转移。
“这里的潜力是巨大的，”斯达勒说。“我们现在有了一种方法，可以在细菌的自然栖息地中研究它们如何共享基因，而不需要在实验室中培养它们。这为微生物研究和合成生物学应用的新一波打开了大门。”
未来，这种条形码技术还可以扩展并应用于其他形式的基因交换，如转导（通过噬菌体）和转化（直接DNA吸收）。此外，优化cat-RNA的稳定性并增加独特条形码的数量可能会允许在跟踪微生物相互作用时达到更高的分辨率。
“随着进一步的发展，RNA条形码可能成为存储环境社区中关于基因转移以外的额外微生物行为的信息的通用工具，”西尔伯格说。
