בעולם המיקרוסקופי של חיידקים, העברת גנים היא מנגנון רב עוצמה שיכול לשנות את התפקוד הסלולרי, להניע עמידות לאנטיביוטיקה ואף לעצב מערכות אקולוגיות שלמות. כעת קבוצה בין תחומית של חוקרים מאוניברסיטת רייס פיתחה שיטה "ברקוד" RNA חדשנית לעקוב אחר חילופי דברים גנטיים אלה ביישובים מיקרוביאליים, ומספקת תובנות חדשות כיצד גנים עוברים על פני מינים. הממצאים פורסמו לאחרונה ב טבע ביוטכנולוגיה.
כבר מזמן ידענו כי חיידקים מחליפים גנים בדרכים המשפיעות על בריאות האדם, ביוטכנולוגיה ויציבות סביבתית. אולם המיפוי של מיקרובים משתתפים בהעברת גנים היה מאתגר. טכניקה חדשה זו נותנת לנו דרך ישירה לרשום מידע זה בתוך התאים עצמם. "
ג'יימס צ'אפל, פרופסור חבר לביו -מדעים והנדסה ביולוגית
שיטות מסורתיות לחקר העברת גנים כוללות תיוג אלמנטים גנטיים ניידים עם חלבונים פלואורסצנטיים או גנים עמידות לאנטיביוטיקה. בעוד שהם יעילים, גישות אלה דורשות בידוד וגידול מיקרובים במעבדה, מה שמגביל את השימוש בהן בסביבות מורכבות.
כדי להתמודד עם אתגר זה, צוות בינתחומי ממעבדות המחקר של צ'אפל של רייס, יצרו ג'וף סילברג ולורן סטדלר כלי ביולוגיה סינטטי חדש. צוות זה הורכב ממתיו דיסארט, קיארה רייס גמאס, לורן גמביל, פראשנט קלוואפלה, לי צ'יה לו ואוגוסט סטאובוס.
השיטה החדשה של צוות הארייס, המכונה שינוי RNA-Addressable (RAM), עוקפת את המכשולים הללו באמצעות RNA קטליטי סינטטי (CAT-RNA) ל- RNA ריבוזומלי (RRNA) "ברקוד" (rRNA) בתוך תאים חיים.
על ידי כתיבת מידע גנטי ישירות ל- 16S rRNA – מולקולה שנמצאת באופן אוניברסלי בחיידקים – החוקרים יכולים לעקוב אחר מיקרובים רכשו DNA זר מבלי לשבש את סביבתם הטבעית. בנוסף, מכיוון שרצף ממוקד של 16S rRNA הוא תקן הזהב לזיהוי מינים שונים של חיידקים, שיטה זו יכולה למנף פרוטוקולים מבוססים וקלים לשימוש ותוכנות ניתוח.
"זהו מחליף משחקים ליצירת אטלס DNA ניידים", אמר סילברג, פרופסור לזכר סטיוארט למדעי הביולוגיה והפרופסור לביו-הנדסה. "במקום לכתוב מידע באופן אקראי ב- DNA חיידקי, שהוא קבוע ומפרך לקרוא, אנו כותבים מידע באזור RNA השמור מאוד על עץ החיים, מה שהופך את המידע לזול וקל לקריאה."
כדי להשיג זאת, החוקרים עיצבו מולקולת RNA קטנה מבוססת ריבוזימים (המכונה גם RNA קטליטי) שקיבלה ברקוד ייחודי ל- 16S rRNA לאחר העברת גנים. CAT-RNA זה הוכנס לקהילה מיקרוביאלית מודל באמצעות פלסמידים מצומדים, שהם נושאי גנים המופיעים באופן טבעי בחיידקים.
הניסוי כלל הכנסת פלסמידים אלה ברקוד לחיידקי תורם E. coli, שהעבירו אז את החומר הגנטי שלהם למיקרובים שונים בקהילה בשפכים. לאחר 24 שעות, החוקרים חילצו את ה- RNA הכולל ורצפו את ה- rRNA של ה- 16S ברקוד.
"מה שראינו היה מדהים", אמר סטדלר, פרופסור חבר להנדסה אזרחית וסביבתית. "כמחצית ממיסות החיידקים בקהילת שפכים יכלו להרים את הפלסמידים, ולהעניק לנו מפה מפורטת של אירועי העברת גנים אופקיים."
המחקר הראה כי ניתן להשתמש ב- RAM למדידת ההבדלים בטווחי המארח בין סוגי פלסמיד DNA. עם עשרות אלפי פלסמידים שונים של DNA שנמצאים במיקרובים סביבתיים טבעיים, RAM מספקת שיטה קלה וחסכונית כדי להתחיל להבין את הקשר בין פלסמידים למארחים שלהם.
"ניתן להשתמש ב- RAM כדי לעקוב אחר תנועה של אלמנטים גנטיים מרובים על פני קהילה מיקרוביאלית שלמה", אמר צ'אפל. "זה איפשר לנו לעקוב אחר תנועת פלסמידים מרובים בניסוי יחיד וניתן להרחיב אותו כדי ללמוד את הדינמיקה של העברת פלסמיד ביישובים מיקרוביאליים ואינטראקציות בין אלמנטים גנטיים ניידים."
בשיטת ה- RAM יש יישומים מרחיקי לכת אפשריים ברפואה, ביוטכנולוגיה ומדעי הסביבה. אחד הדאגות הדחופות ביותר הוא עמידות לאנטיביוטיקה, שכן מעקב אחר אופן התפשטות הגנים העמידים בבתי חולים ובשפכים יכול לעזור לחזות ולמנוע התפרצויות של זיהומים עמידים לתרופות. בתחום הביור -דיאנציה וניהול פסולת, לטכנולוגיה זו יש פוטנציאל להנדס מיקרוביומים המפרקים ביעילות את המזהמים תוך הבטחה שנותרו שינויים גנטיים מועילים. בנוסף, בביולוגיה סינתטית ובביוטכנולוגיה, היכולת לתכנת מיקרוביומים למשימות ספציפיות, כגון הפקת דלקים ביולוגיים או תרופות, נשענת על העברת גנים בטוחה ומבוקרת.
"הפוטנציאל כאן הוא עצום," אמר סטדלר. "כעת יש לנו דרך ללמוד כיצד חיידקים חולקים גנים בסביבתם הטבעית מבלי שנצטרך לגדל אותם במעבדה. זה פותח את הדלת לגל חדש של מחקרים מיקרוביאליים ויישומי ביולוגיה סינתטית."
בעתיד, טכניקת ברקוד זו יכולה להיות מורחבת ומיושמת גם על צורות אחרות של חילופי גנים כמו הולכה (באמצעות בקטריופאגים) ושינוי (ספיגת DNA ישירה). בנוסף, אופטימיזציה של יציבות CAT-RNA והגדלת מספר הברקודים הייחודיים עשויה לאפשר רזולוציה עדינה עוד יותר במעקב אחר אינטראקציות מיקרוביאליות.
"עם פיתוח נוסף, ברקוד RNA יכול להפוך לכלי אוניברסאלי לאחסון מידע ביישובים סביבתיים על התנהגויות מיקרוביאליות נוספות מעבר להעברת גנים", אמר סילברג.
