赖斯研究小组创造了通用的RNA条形码系统，用于跟踪细菌中的基因转移

　　

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小组已经开发出一种创新的RNA“条形码”方法来跟踪微生物群落中的这些基因交换，为基因如何跨物种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。

生物科学和生物工程副教授詹姆斯·查佩尔说：“我们早就知道细菌交换基因的方式会影响人类健康、生物技术和环境稳定。”“但是确定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细胞内部信息的方法。”

研究基因转移的传统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。这些方法虽然有效，但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使用。

为了应对这一挑战，来自莱斯大学Chappell、Joff Silberg和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。该团队由Matthew Dysart， Kiara Reyes Gamas, Lauren Gambill, Prashant Kalvapalle， Li Chieh Lu和August Staubus组成。

莱斯大学研究小组的新方法，被称为RNA-addressable modification（RAM），通过使用合成的催化RNA （cat-RNA）来“条形码”活细胞内的核糖体RNA (rRNA)，绕过了这些障碍。

通过将遗传信息直接写入16S rRNA（细菌中普遍存在的一种分子），研究人员可以在不破坏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的靶向测序是鉴定不同细菌种类的金标准，该方法可以利用已建立且易于使用的协议和分析软件。

“这是创造一个移动DNA图谱的游戏规则改变者，”斯图尔特纪念生物科学教授和生物工程教授西尔伯格说。“我们没有在细菌DNA中随机写入信息，这是永久性的，很难读取，而是在整个生命树中高度保守的RNA区域中写入信息，使信息便宜且易于读取。”

为了实现这一目标，研究人员设计了一种基于核酶的小RNA分子（也称为催化RNA），在基因转移时将一个独特的条形码附着在16S rRNA上。这种猫rna被引入到一个模型微生物群落使用共轭质粒，这是天然存在的细菌基因载体。

该实验包括将这些条形码质粒引入大肠杆菌供体细菌中，然后将其遗传物质转移到废水群落中的各种微生物中。24小时后，研究人员提取总RNA并对条形码的16S rRNA进行测序。

“我们看到的是非凡的，”土木与环境工程副教授Stadler说。“废水群落中大约一半的细菌分类群可以拾取质粒，为我们提供了水平基因转移事件的详细地图。”

该研究还表明，RAM可用于测量DNA质粒类型之间宿主范围的差异。在自然环境微生物中发现了成千上万种不同的DNA质粒，RAM提供了一种简单且具有成本效益的方法来开始了解质粒与其宿主之间的关系。

查佩尔说：“RAM可以用来追踪整个微生物群落中多种遗传元素的运动。”“这使我们能够在一次实验中跟踪多个质粒的运动，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方面可能具有深远的应用。最紧迫的问题之一是抗生素耐药性，因为跟踪耐药基因如何在医院和废水中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，这项技术有可能设计出有效分解污染物的微生物群，同时确保有益的遗传修饰得到控制。此外，在合成生物学和生物技术中，为特定任务（如生产生物燃料或药品）对微生物组进行编程的能力依赖于安全和可控的基因转移。

“这里的潜力是巨大的，”施泰德说。“我们现在有一种方法来研究细菌如何在自然栖息地共享基因，而无需在实验室中培养它们。这为微生物研究和合成生物学应用的新浪潮打开了大门。”

在未来，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，优化猫rna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。

希尔伯格说：“随着进一步的发展，RNA条形码可能成为一种通用工具，用于在环境群落中存储除基因转移之外的其他微生物行为信息。”