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、驱动抗生素抗性，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，用于追踪这些微生物群落中的基因交换，为基因如何在不同物种间移动提供了新的见解。该研究结果最近发表在《自然生物技术》杂志上。
“我们早就知道细菌通过基因交换影响人类健康、生物技术和环境稳定，”生物科学和生物工程副教授詹姆斯·查佩尔（James Chappell）说。“但要绘制出哪些微生物参与了基因转移一直是一个挑战。这项新技术为我们提供了一种直接记录这些信息的方法。”
传统的基因转移研究方法包括使用荧光蛋白或抗生素抗性基因标记可移动遗传元件。虽然有效，但这些方法需要在实验室中分离和培养微生物，限制了其在复杂环境中的应用。
为了解决这一问题，来自莱斯大学查佩尔、乔夫·西尔伯格（Joff Silberg）和劳伦·斯塔德勒（Lauren Stadler）研究实验室的跨学科团队创造了一种新的合成生物学工具。这个团队由马修·迪萨特（Matthew Dysart）、基亚拉·雷耶斯·加马斯（Kiara Reyes Gamas）、劳伦·甘比尔（Lauren Gambill）、普拉尚特·卡尔瓦帕勒（Prashant Kalvapalle）、李杰·卢（Li Chieh Lu）和奥古斯特·斯塔布斯（August Staubus）组成。
莱斯团队的新方法称为RNA可寻址修饰（RAM），通过使用一种合成催化RNA（cat-RNA）来“条形码”活细胞内的核糖体RNA（rRNA）。通过将遗传信息直接写入普遍存在于细菌中的16S rRNA分子中，研究人员可以在不破坏其自然环境的情况下追踪哪些微生物获得了外源DNA。此外，由于针对16S rRNA的靶向测序是识别不同种类细菌的金标准，这种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图谱来说是一个游戏规则的改变者，”生物科学教授兼生物工程教授乔夫·西尔伯格说。“与其随机地在细菌DNA中写入信息，这既永久又难以读取，我们在生命树中高度保守的RNA区域写入信息，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基于小核酶的RNA分子（也称为催化RNA），该分子在基因转移时将独特的条形码附加到16S rRNA上。这种cat-RNA通过接合质粒引入模型微生物群落中，接合质粒是细菌中天然存在的基因载体。
实验涉及将这些条形码质粒引入大肠杆菌供体细菌中，然后这些细菌将其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并测序条形码16S rRNA。
“我们看到的结果非常显著，”土木与环境工程副教授劳伦·斯塔德勒说。“废水社区中大约一半的细菌类群能够拾取这些质粒，为我们提供了详细的水平基因转移事件地图。”
该研究还表明，RAM可以用来测量不同DNA质粒类型之间的宿主范围差异。由于在自然环境微生物中发现了数以万计的不同DNA质粒，RAM提供了一种简便且成本低廉的方法来开始理解质粒与其宿主之间的关系。
“RAM可以用来追踪整个微生物群落中多个遗传元件的运动，”查佩尔说。“这使我们能够在单个实验中追踪多个质粒的运动，并可以扩展到研究微生物群落中质粒转移的动力学以及移动遗传元件之间的相互作用。”
RAM方法在医学、生物技术和环境科学领域具有广泛的应用前景。其中一个最紧迫的问题是抗生素抗性，因为跟踪医院和废水中抗性基因的传播可以帮助预测和防止耐药感染的爆发。在生物修复和废物管理领域，这项技术有可能用于设计高效分解污染物的微生物组，同时确保有益的基因改造得以控制。此外，在合成生物学和生物技术领域，安全可控的基因转移能力对于编程微生物组执行特定任务（如生产生物燃料或药物）至关重要。
“这里的潜力是巨大的，”斯塔德勒说。“我们现在有一种方法可以在不需要在实验室中培养细菌的情况下，研究它们在自然栖息地中如何共享基因。这为微生物研究和合成生物学应用打开了新的大门。”
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，如通过噬菌体的转导和直接DNA吸收的转化。此外，优化cat-RNA的稳定性并增加独特条形码的数量可以使微生物相互作用的追踪更加精细。
“随着进一步的发展，RNA条形码可能成为存储环境群体中除基因转移之外的其他微生物行为信息的通用工具，”西尔伯格说。
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