杜克大学生物医学工程师发现细菌 DNA 的成功秘诀

研究人员希望他们的新模型将为其他人更好地建模和预测重要特征（例如病原体的抗生素耐药性或为清洁环境污染而培育的细菌的代谢能力）如何在给定环境中传播和生长奠定基础。

研究结果在线发表于 11 月 4 日的《自然通讯》杂志上。

杜克大学的生物医学工程师开发了一种新方法，可以模拟称为质粒的潜在有益 DNA 包如何在包括许多细菌物种的复杂环境中循环和积累。这项工作还使团队开发了一种被称为“持久潜力”的新因素，一旦测量和计算，就可以预测质粒是否会在给定群体中继续繁荣或逐渐消失。

研究人员希望他们的新模型将为其他人更好地建模和预测重要特征（例如病原体的抗生素耐药性或为清洁环境污染而培育的细菌的代谢能力）如何在给定环境中传播和生长奠定基础。

研究结果在线发表于 11 月 4 日的《自然通讯》杂志上。

除了达尔文式的将生存重要的基因从父母传给后代的过程之外，细菌还参与一种称为水平基因转移的过程。细菌通过相互交换称为质粒的不同遗传物质包，不断地在物种间共享新能力的遗传配方。

杜克大学生物医学工程教授游令崇 (Lingchong You) 表示：“在对一瓶海水进行检查时，发现有 160 种细菌交换了 180 种不同的质粒。” “即使在一瓶水中，使用当前的方法来模拟质粒的移动性也将远远超过整个世界的集体计算能力。我们开发了一个系统，可以简化模型，同时保持其准确预测最终结果的能力。”

然而，这些基因包中的任何一种在特定人群或环境中变得普遍的潜力还远未确定。这取决于多种变量，例如包裹共享的速度、细菌的存活时间、新 DNA 的益处、这些益处的权衡等等。

能够预测这样一个基因包的命运可以帮助许多领域——也许最显着的是抗生素耐药性的传播以及如何对抗它。但在逼真的场景中这样做所需的模型太复杂，无法解决。

“我们能够进行数学建模的最复杂的系统是共享三个质粒的三种细菌，”尤说。 “即便如此，我们也必须使用计算机程序来生成方程，否则我们会对所需的项数感到非常困惑。”

在这项新研究中，尤和他的研究生腾王创建了一个新的框架，随着更多物种和质粒的添加，该框架大大降低了模型的复杂性。在传统方法中，每个群体根据其携带的质粒分为多个亚群。但在新系统中，这些亚群被平均为一个亚群。这大大减少了变量的数量，随着新细菌和质粒的添加，变量的数量呈线性增加，而不是呈指数增加。

这种新方法使研究人员能够得出一个单一的控制标准，可以预测质粒是否会在给定群体中持续存在。它基于五个重要变量：细菌获得新 DNA 的成本、DNA 丢失的频率、菌群被菌群通量稀释的速度、DNA 在细菌之间交换的速度以及 DNA 交换的速度。总体人口正在增长。

通过对这些变量的测量，研究人员可以计算群体的“质粒持久性”。如果这个数字大于一，基因包就会存活并传播，数字越大，丰度越大。如果少于一，它将逐渐被遗忘。

“尽管模型被简化了，但我们发现它在某些限制下相当准确，”王说。 “只要新的 DNA 不会给细菌带来太大的负担，我们的新框架就会成功。”

你和王通过设计一些不同的合成群落来测试他们的新建模方法，每个群落都有不同的细菌菌株和用于交换的基因包。进行实验后，他们发现结果非常符合他们的理论框架的预期。为了更进一步，研究人员还从 13 篇之前发表的论文中获取了数据并计算了它们的数据。这些结果也支持了他们的新模型。

“质粒持久性标准让我们有希望用它来指导新的应用，”尤说。 “它可以帮助研究人员通过控制遗传流来设计微生物组以实现某种功能。或者它可以为我们提供指导，告诉我们可以控制哪些因素来消除或抑制细菌群体中的某些质粒，例如那些导致抗生素耐药性的质粒。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院 (R01A1125604、R01GM110494) 和大卫和露西尔·帕卡德基金会的支持。

引文：“可转移质粒的持久潜力”，Teng Wang 和 Lingchong You。自然通讯，2020 年 11 月 9 日。DOI：10.1038/s41467-020-19368-7

(C) 杜克大学 

原文来源： WRAL 技术线