Gli ingegneri biomedici della Duke scoprono la ricetta del successo del DNA batterico

I ricercatori sperano che il loro nuovo modello getti le basi affinché altri possano modellare e prevedere meglio come tratti importanti come la resistenza agli antibiotici negli agenti patogeni o le capacità metaboliche dei batteri allevati per pulire l’inquinamento ambientale si diffonderanno e cresceranno in un dato ambiente.

I risultati appariranno online il 4 novembre sulla rivista Nature Communications.

Gli ingegneri biomedici della Duke University hanno sviluppato un nuovo modo di modellare il modo in cui pacchetti di DNA potenzialmente benefici chiamati plasmidi possono circolare e accumularsi attraverso un ambiente complesso che include molte specie batteriche. Il lavoro ha inoltre consentito al team di sviluppare un nuovo fattore denominato “potenziale di persistenza” che, una volta misurato e calcolato, può prevedere se un plasmide continuerà o meno a prosperare in una determinata popolazione o svanirà gradualmente nell’oblio.

I ricercatori sperano che il loro nuovo modello getti le basi affinché altri possano modellare e prevedere meglio come tratti importanti come la resistenza agli antibiotici negli agenti patogeni o le capacità metaboliche dei batteri allevati per pulire l’inquinamento ambientale si diffonderanno e cresceranno in un dato ambiente.

I risultati appariranno online il 4 novembre sulla rivista Nature Communications.

Oltre al processo darwiniano di trasmissione dei geni importanti per la sopravvivenza dai genitori alla prole, i batteri si impegnano anche in un processo chiamato trasferimento genico orizzontale. I batteri condividono costantemente ricette genetiche per nuove abilità tra le specie scambiando tra loro diversi pacchetti di materiale genetico chiamati plasmidi.

"Nell'esame di una sola bottiglia di acqua di mare, sono state rilevate 160 specie batteriche che scambiavano 180 plasmidi diversi", ha affermato Lingchong You, professore di ingegneria biomedica alla Duke. “Anche in una singola bottiglia d’acqua, l’utilizzo dei metodi attuali per modellare la mobilità dei plasmidi supererebbe di gran lunga la potenza di calcolo collettiva del mondo intero. Abbiamo sviluppato un sistema che semplifica il modello pur mantenendo la sua capacità di prevedere con precisione i risultati finali."

Il potenziale di uno qualsiasi di questi pacchetti genetici di diventare comune in una determinata popolazione o ambiente, tuttavia, è tutt’altro che certo. Dipende da un’ampia gamma di variabili, ad esempio la velocità con cui i pacchetti vengono condivisi, quanto tempo sopravvivono i batteri, quanto è benefico il nuovo DNA, quali sono i compromessi per tali benefici e molto altro ancora.

Essere in grado di prevedere il destino di un tale pacchetto genetico potrebbe aiutare molti campi, forse in particolare la diffusione della resistenza agli antibiotici e come combatterla. Ma i modelli necessari per farlo in uno scenario realistico sono troppo complicati da risolvere.

"Il sistema più complesso che siamo mai stati in grado di modellare matematicamente è composto da tre specie di batteri che condividono tre plasmidi", ha affermato You. "E anche in quel caso, dovevamo usare un programma per computer solo per generare le equazioni, perché altrimenti saremmo rimasti troppo confusi con il numero di termini necessari."

Nel nuovo studio, Tu e il suo studente laureato, Teng Wang, avete creato una nuova struttura che riduce notevolmente la complessità del modello man mano che vengono aggiunte più specie e plasmidi. Nell'approccio tradizionale, ogni popolazione è divisa in più sottopopolazioni in base ai plasmidi che trasporta. Ma nel nuovo sistema, queste sottopopolazioni vengono invece mediate in una sola. Ciò riduce drasticamente il numero di variabili, che aumenta in modo lineare man mano che vengono aggiunti nuovi batteri e plasmidi anziché in modo esponenziale.

Questo nuovo approccio ha permesso ai ricercatori di derivare un unico criterio di governo che consente di prevedere se un plasmide persisterà o meno in una determinata popolazione. Si basa su cinque variabili importanti: il costo per i batteri di avere il nuovo DNA, quanto spesso il DNA viene perso, quanto velocemente la popolazione viene diluita dal flusso attraverso la popolazione, quanto velocemente il DNA viene scambiato tra i batteri e quanto velocemente la popolazione nel suo insieme è in crescita.

Con le misurazioni di queste variabili in mano, i ricercatori possono calcolare la “persistenza del plasmide” della popolazione. Se quel numero è maggiore di uno, il pacchetto genetico sopravviverà e si diffonderà, con numeri più alti che porteranno a una maggiore abbondanza. Se meno di uno, svanirà nell'oblio.

"Anche se il modello è semplificato, abbiamo scoperto che è ragionevolmente accurato sotto determinati vincoli", ha affermato Wang. “Finché il nuovo DNA non rappresenta un peso eccessivo per i batteri, la nostra nuova struttura avrà successo”.

Tu e Wang avete testato il loro nuovo approccio di modellazione progettando una manciata di diverse comunità sintetiche, ciascuna con diversi ceppi di batteri e pacchetti genetici da scambiare. Dopo aver eseguito gli esperimenti, hanno scoperto che i risultati si adattavano abbastanza bene alle aspettative del loro quadro teorico. E per fare uno sforzo in più, i ricercatori hanno anche preso dati da 13 articoli pubblicati in precedenza e hanno analizzato anche i loro numeri. Questi risultati hanno anche supportato il loro nuovo modello.

"Il criterio di persistenza del plasmide ci dà la speranza di utilizzarlo per guidare nuove applicazioni", ha affermato You. “Potrebbe aiutare i ricercatori a progettare un microbioma controllando il flusso genetico per ottenere una determinata funzione. Oppure può darci indicazioni su quali fattori possiamo controllare per eliminare o sopprimere alcuni plasmidi dalle popolazioni batteriche, come quelli responsabili della resistenza agli antibiotici”.

Questa ricerca è stata supportata dal National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) e dalla David and Lucile Packard Foundation.

CITAZIONE: "Il potenziale di persistenza dei plasmidi trasferibili", Teng Wang e Lingchong You. Nature Communications, 9 novembre 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(C) Università Duke 

Fonte articolo originale: WRAL TechWire