Nature Biotechnology：新RNA条形码方法跟踪微生物群落中的基因转移

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。

　　

在细菌的微观世界中，基因转移是一种强大的机制，它可以改变细胞功能、推动抗生素耐药性，甚至塑造整个生态系统。如今，莱斯大学（Rice University）的一个跨学科研究团队开发出一种创新的RNA“条形码”方法，用于追踪微生物群落中的这些基因交换，为基因如何在物种间移动提供了新的见解。该研究结果最近发表在《Nature Biotechnology》上。

“我们早就知道细菌以影响人类健康、生物技术和环境稳定的方式交换基因。然而，绘制参与基因转移的微生物一直是一个挑战。这种新技术为我们提供了一种直接的方式，将这些信息记录在细胞内部。”生物科学与生物工程副教授James Chappell说。

传统研究基因转移的方法涉及用荧光蛋白或抗生素抗性基因标记可移动的遗传元件。尽管这些方法有效，但它们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。

为解决这一挑战，莱斯大学Chappell、Joff Silberg和Lauren Stadler研究实验室的跨学科团队创建了一种新的合成生物学工具。

莱斯团队的新方法，称为RNA可寻址修饰（RNA-addressable modification, RAM），通过使用合成催化RNA（cat-RNA）在活细胞内对核糖体RNA（rRNA）进行“条形码”标记，从而绕过了这些障碍。

通过将遗传信息直接写入16S rRNA（一种在细菌中普遍存在的分子）中，研究人员能够在不干扰微生物自然环境的情况下追踪哪些微生物获得了外来DNA。此外，由于针对16S rRNA的靶向测序是识别不同细菌物种的黄金标准，这种方法可以利用已建立且易于使用的协议和分析软件。

“这是创建移动DNA图谱的改变游戏规则的技术。”Silberg说，他是生物科学的斯图尔特纪念教授和生物工程学教授。“我们不是将信息随机写入细菌DNA中（这是永久性的，且难以读取），而是将信息写入RNA的一个高度保守的区域，这个区域在生命之树中广泛存在，使得信息的读取既便宜又容易。”

为了实现这一点，研究人员设计了一种基于小核糖酶的RNA分子（也称为催化RNA），在基因转移时将独特的条形码附加到16S rRNA上。这种cat-RNA通过接合质粒引入到一个模型微生物群落中，接合质粒是细菌中自然存在的基因载体

实验涉及将这些条形码质粒引入大肠杆菌（E. coli）供体细菌中，然后这些细菌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并测序条形码化的16S rRNA。

“我们看到的结果令人惊叹。”Stadler说，他是土木与环境工程学副教授。“废水群落中大约一半的细菌分类群能够获得质粒，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可用于测量不同类型DNA质粒之间的宿主范围差异。由于自然环境微生物中发现了数以万计的不同DNA质粒，RAM提供了一种简单且成本效益高的方法，开始理解质粒与其宿主之间的关系。

“RAM可用于追踪整个微生物群落中多个遗传元件的移动。”Chappell说，“这使我们能够在单次实验中追踪多个质粒的移动，并可以扩展用于研究微生物群落中质粒转移的动态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中可能有深远的应用。最紧迫的问题之一是抗生素耐药性，因为追踪医院和废水中耐药基因的传播有助于预测和防止耐药感染的爆发。在生物修复和废物管理领域，这项技术有可能设计出能够高效分解污染物的微生物组，同时确保有益的遗传修饰保持可控。此外，在合成生物学和生物技术领域，编程微生物组以执行特定任务（如生产生物燃料或制药）的能力依赖于安全和受控的基因转移。

“这里的潜力是巨大的。”Stadler说，“我们现在有一种方法可以在不需要在实验室中培养它们的情况下研究细菌在其自然栖息地中的基因共享。这为新一轮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，例如通过噬菌体的转导和直接DNA摄取的转化。此外，优化cat-RNA的稳定性并增加独特条形码的数量，可以实现更精细的微生物相互作用追踪分辨率。

“随着进一步的发展，RNA条形码有可能成为一种通用工具，用于在环境群落中存储有关基因转移之外的其他微生物行为的信息。”Silberg说。