Duken biolääketieteen insinöörit löytävät bakteeri-DNA:n menestyksen reseptin

Tutkijat toivovat, että heidän uusi mallinsa luo pohjan muille, jotta he voivat paremmin mallintaa ja ennustaa, kuinka tärkeät ominaisuudet, kuten patogeenien antibioottiresistenssi tai puhtaaseen ympäristön saastumiseen kasvatettujen bakteerien metaboliset kyvyt, leviävät ja kasvavat tietyssä ympäristössä.

Tulokset ilmestyvät verkossa 4. marraskuuta Nature Communications -lehdessä.

Duken yliopiston biolääketieteen insinöörit ovat kehittäneet uuden tavan mallintaa, kuinka potentiaalisesti hyödylliset DNA-paketit, joita kutsutaan plasmideiksi, voivat kiertää ja kerääntyä monimutkaisen ympäristön läpi, joka sisältää monia bakteerilajeja. Työ on myös antanut tiimille mahdollisuuden kehittää uusi tekijä, jota kutsutaan "pysyvyyspotentiaaliksi", joka voi mitattuna ja laskettuaan ennustaa, jatkaako plasmidin kukoistamista tietyssä populaatiossa vai vaimeneeko se vähitellen unohduksiin.

Tutkijat toivovat, että heidän uusi mallinsa luo pohjan muille, jotta he voivat paremmin mallintaa ja ennustaa, kuinka tärkeät ominaisuudet, kuten patogeenien antibioottiresistenssi tai puhtaaseen ympäristön saastumiseen kasvatettujen bakteerien metaboliset kyvyt, leviävät ja kasvavat tietyssä ympäristössä.

Tulokset ilmestyvät verkossa 4. marraskuuta Nature Communications -lehdessä.

Sen lisäksi, että darwinilainen prosessi siirtää selviytymisen kannalta tärkeitä geenejä vanhemmilta jälkeläisille, bakteerit osallistuvat myös horisontaaliseen geeninsiirtoon. Bakteerit jakavat jatkuvasti geneettisiä reseptejä uusien kykyjen saamiseksi eri lajien välillä vaihtamalla erilaisia geneettisen materiaalin paketteja, joita kutsutaan plasmideiksi.

"Kun tutkittiin vain yhtä merivesipulloa, havaittiin 160 bakteerilajia, jotka vaihtoivat 180 erilaista plasmidia", sanoi Lingchong You, Duken biolääketieteen tekniikan professori. "Jopa yhdessä vesipullossa nykyisten menetelmien käyttäminen plasmidien liikkuvuuden mallintamiseen ylittäisi huomattavasti koko maailman kollektiivisen laskentatehon. Olemme kehittäneet järjestelmän, joka yksinkertaistaa mallia säilyttäen samalla kyvyn ennustaa tarkasti mahdolliset tulokset.

Minkä tahansa näiden geneettisten pakettien potentiaali yleistyä tietyssä populaatiossa tai ympäristössä ei kuitenkaan ole läheskään varmaa. Se riippuu monista muuttujista, kuten siitä, kuinka nopeasti paketit jaetaan, kuinka kauan bakteerit selviävät, kuinka hyödyllinen uusi DNA on, mitä kompromisseja näillä eduilla on ja paljon muuta.

Mahdollisuus ennustaa tällaisen geneettisen paketin kohtalo voi auttaa monilla aloilla - ehkä merkittävin antibioottiresistenssin leviäminen ja sen torjunta. Mutta todenmukaisessa skenaariossa siihen vaadittavat mallit ovat liian monimutkaisia ratkaistaviksi.

"Monimutkaisin järjestelmä, jonka olemme koskaan pystyneet mallintamaan matemaattisesti, on kolme bakteerilajia, jotka jakavat kolme plasmidia", sanoi You. "Ja silloinkin jouduimme käyttämään tietokoneohjelmaa vain yhtälöiden luomiseen, koska muuten olisimme liian hämmentyneitä tarvittavien termien määrästä."

Uudessa tutkimuksessa sinä ja hänen jatko-opiskelijansa Teng Wang loit uuden kehyksen, joka vähentää huomattavasti mallin monimutkaisuutta, kun lisää lajeja ja plasmideja lisätään. Perinteisessä lähestymistavassa jokainen populaatio jaetaan useisiin alapopulaatioihin sen mukaan, mitä plasmideja ne kantavat. Mutta uudessa järjestelmässä nämä osajoukot keskiarvoistetaan yhdeksi. Tämä vähentää huomattavasti muuttujien määrää, joka kasvaa lineaarisesti, kun uusia bakteereja ja plasmideja lisätään, eikä eksponentiaalisesti.

Tämän uuden lähestymistavan ansiosta tutkijat pystyivät johtamaan yhden hallitsevan kriteerin, jonka avulla voidaan ennustaa, säilyykö plasmidi tietyssä populaatiossa vai ei. Se perustuu viiteen tärkeään muuttujaan: uuden DNA:n saamisen kustannukset bakteereille, kuinka usein DNA katoaa, kuinka nopeasti populaatio laimenee populaation läpi kulkevan virtauksen johdosta, kuinka nopeasti DNA vaihtuu bakteerien välillä ja kuinka nopeasti koko väestö kasvaa.

Näiden muuttujien mittausten avulla tutkijat voivat laskea populaation "plasmidin pysyvyyden". Jos tämä luku on suurempi kuin yksi, geneettinen paketti säilyy ja leviää, ja suuremmat luvut johtavat suurempaan runsauteen. Jos vähemmän kuin yksi, se haihtuu unohduksiin.

"Vaikka malli on yksinkertaistettu, olemme havainneet, että se on kohtuullisen tarkka tietyissä rajoituksissa", sanoi Wang. "Niin kauan kuin uusi DNA ei aseta liian suurta taakkaa bakteereille, uusi kehys onnistuu."

Sinä ja Wang testasit uutta mallinnustapaansa suunnittelemalla kourallisen erilaisia synteettisiä yhteisöjä, joista jokaisessa on eri bakteerikantoja ja geneettisiä paketteja vaihdettavaksi. Kokeiden suorittamisen jälkeen he havaitsivat, että tulokset sopivat melko hyvin heidän teoreettisen viitekehyksensä odotuksiin. Lisäksi tutkijat ottivat tietoja 13 aiemmin julkaistusta artikkelista ja suorittivat myös niiden numerot. Nämä tulokset tukivat myös heidän uutta malliaan.

"Plasmidin pysyvyyskriteeri antaa meille toivoa käyttää sitä uusien sovellusten ohjaamiseen", sanoi You. "Se voisi auttaa tutkijoita suunnittelemaan mikrobiomia säätelemällä geneettistä virtausta tietyn toiminnon saavuttamiseksi. Tai se voi antaa meille ohjeita siitä, mitä tekijöitä voimme hallita eliminoidaksemme tai tukahduttaaksemme tiettyjä plasmideja bakteeripopulaatioista, kuten niistä, jotka ovat vastuussa antibioottiresistenssistä."

Tätä tutkimusta tukivat National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) ja David and Lucile Packardin säätiö.

LAITTEET: "Siirrettävien plasmidien pysyvyyspotentiaali", Teng Wang & Lingchong You. Nature Communications, 9. marraskuuta 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(C) Duken yliopisto 

Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire