在细菌的微观世界中，基因转移是一种强大的机制，可以改变细胞功能、驱动抗生素耐药性，甚至塑造整个生态系统。现在，莱斯大学的一个跨学科研究团队开发了一种创新的RNA“条形码”方法，用于追踪这些微生物群落中的遗传交换，从而为我们提供了关于基因如何在物种间移动的新见解。该研究成果最近发表在《自然生物技术》杂志上。
“我们早就知道细菌通过交换基因的方式影响人类健康、生物技术和环境稳定性。但绘制参与基因转移的微生物图谱一直是一个挑战。这项新技术为我们提供了一种直接记录这些信息的方法。”生物科学和生物工程副教授詹姆斯·查佩尔（James Chappell）说。
传统研究基因转移的方法包括用荧光蛋白或抗生素抗性基因标记可移动的遗传元件。虽然有效，但这些方法需要在实验室中分离和培养微生物，限制了它们在复杂环境中的应用。
为了解决这一挑战，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）研究实验室的一个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）、基阿拉·雷耶斯·加马斯（Kiara Reyes Gamas）、劳伦·甘比尔（Lauren Gambill）、普拉尚特·卡尔瓦帕莱（Prashant Kalvapalle）、李杰·卢（Li Chieh Lu）和奥古斯特·斯塔布斯（August Staubus）组成。
莱斯大学团队的新方法称为RNA可寻址修饰（RAM），它使用合成催化RNA（cat-RNA）在活细胞内对核糖体RNA（rRNA）进行“条形码”标记。
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16S rRNA测序是识别不同种类细菌的金标准，这种方法可以利用现有的易于使用的协议和分析软件。
“这是创建一个移动DNA图谱的变革者，”生物科学教授兼生物工程教授乔夫·西尔伯格（Joff Silberg）说。“与其将信息随机写入细菌DNA，这既永久又难以读取，我们将信息写入生命树中高度保守的RNA区域，使信息廉价且易于读取。”
为了实现这一点，研究人员设计了一种小的基于核酶的RNA分子（也称为催化RNA），它在基因转移时将独特的条形码附着到16S rRNA上。这种cat-RNA通过共轭质粒引入模型微生物群落中，共轭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并对条形码16S rRNA进行测序。
“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（Lauren Stadler）说。“废水社区中大约一半的细菌类群能够接收这些质粒，为我们提供了一个详细的水平基因转移事件图谱。”
该研究还表明，RAM可以用来测量不同类型DNA质粒之间的宿主范围差异。随着在自然环境微生物中发现数以万计的不同DNA质粒，RAM提供了一种简便且成本效益高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移动，”查佩尔说。“这使我们能够在单次实验中追踪多个质粒的移动，并可能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。最紧迫的问题之一是抗生素耐药性，通过追踪医院和废水中耐药基因的传播，可以帮助预测和预防耐药感染的爆发。在生物修复和废物管理领域，这项技术有可能用于工程化微生物组，使其高效分解污染物，同时确保有益的基因修饰保持在可控范围内。此外，在合成生物学和生物技术领域，安全和受控的基因转移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。
“这里的潜力巨大，”斯塔德勒说。“我们现在有了一种方法，可以在其自然栖息地中研究细菌如何共享基因，而无需在实验室中培养它们。这为新的微生物研究和合成生物学应用打开了大门。”
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摄取）。此外，优化cat-RNA的稳定性和增加独特条形码的数量可以使跟踪微生物相互作用的分辨率更高。
“经过进一步发展，RNA条形码可以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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