O platformă de biologie sintetică descoperă ținte bacteriene ascunse ale bacteriofagilor
O echipă interdisciplinară de cercetători de la Universitatea Rice a descoperit relații necunoscute anterior între bacteriofagi – viruși care infectează bacteriile – și gazdele lor bacteriene, oferind un instrument puternic pentru ingineria microbiomului de generație viitoare.
Publicat în Nature Communications, studiul utilizează un sistem de codare bazat pe ARN dezvoltat de Rice, care permite oamenilor de știință să identifice care bacterii primesc material genetic de la bacteriofagi în medii microbiene complexe. Această abordare a permis cercetătorilor să descopere un grup de gazde bacteriene neîntâlnit anterior pentru bacteriofagul bine studiat P1 și să examineze modul în care schimbările subtile în structura virală influențează microbii pe care îi poate viza un fag.
„Bacteriofagii sunt peste tot și au un rol enorm în modelarea comunităților microbiene și în transferul de gene între bacterii”, a declarat Lauren Stadler, profesor asociat de inginerie civilă și de mediu.
Identificarea interacțiunilor dintre bacteriofagi și gazdele lor în comunitățile microbiene reale a reprezentat o provocare de lungă durată. Această lucrare ne oferă o modalitate scalabilă de a observa direct aceste interacțiuni.”
Bacteriofagii sunt cele mai abundente entități biologice de pe Pământ, depășind toate celelalte forme de viață. Aceștia influențează ecosistemele microbiene prin uciderea bacteriilor, modificarea metabolismului acestora și transferul de gene între organisme. Oamenii de știință sunt din ce în ce mai interesați să valorifice bacteriofagii ca alternative la antibiotice și ca instrumente pentru ingineria microbiomului, dar tehnicile tradiționale pentru a înțelege care bacterii pot fi infectate de un fag necesită adesea cultivarea bacteriilor în laborator, fiind consumatoare de timp și nu pot distinge între virușii care se atașează de celule și cei care transferă cu succes ADN.
Pentru a depăși aceste limitări, echipa de la Rice, care i-a inclus și pe James Chappell, profesor asociat de biosciences, și Jonathan Silberg, profesor la Stewart Memorial de BioSciences, a adaptat platforma sa de biologie sintetică cunoscută sub numele de modificare adresabilă prin ARN. Inițial dezvoltat pentru a urmări transferul de gene prin conjugarea bacteriană, sistemul utilizează un ribozim inginerizat care inserează un „cod de bare” unic în ARN-ul ribozomal 16S al unei bacterii după ce primește ADN de la un fag. Cercetătorii pot apoi identifica organismul receptor prin secvențierea țintită a ARN-ului.
„În loc să încercăm să izolăm fiecare interacțiune în parte, lăsăm fagul să lase o semnătură moleculară în celulele pe care le atinge,” a subliniat Stadler. „Aceasta ne oferă o modalitate sensibilă și de mare viteză de a cartografia domeniul gazdelor direct în cadrul comunităților microbiene.”
Cercetătorii au încorporat sistemul de codare în bacteriofagul P1, un virus cunoscut pentru transferul de ADN între bacteriile enterice, fiind considerat un factor în răspândirea genelor de rezistență la antibiotice. Apoi, au testat abordarea în comunități microbiene cultivate în laborator și în ape uzate colectate de la o stație de tratare din zona Houston.
Experimentele efectuate pe apele uzate au dus la o descoperire surprinzătoare. Printre organismele care au primit material genetic de la P1 s-au numărat membri ai ordinului Aeromonadales, inclusiv Aeromonas hydrophila, o bacterie comună în apele uzate, care nu fusese identificată anterior ca gazdă pentru P1.
„Descoperirea unui grup complet nou de gazde într-un eșantion ambiental complex demonstrează puterea acestei abordări”, a declarat Stadler. „Probabil că există multe relații importante între faguri și gazde care rămân ascunse pur și simplu pentru că nu am avut instrumentele necesare pentru a le observa ușor și fără metode laborioase.”
Echipa a folosit, de asemenea, tehnologia pentru a investiga modul în care diferitele fibre ale cozii virale – structuri proteice pe care fagurile le folosesc pentru a recunoaște și a se atașa de bacterii – influențează domeniul gazdelor. Prin inginerizarea particulelor derivate din fag cu fibre de coadă alternative și aplicarea sistemului de codare ARN, cercetătorii au arătat că fiecare fibră de coadă vizează un set distinct de microbii în cadrul comunităților de ape uzate.
„Aceste experimente ne-au permis să vedem cum schimbările genetice relativ mici într-un fag pot modifica dramatic care bacterii interacționează cu acesta,” a afirmat Stadler. „Această informație este extrem de valoroasă pentru proiectarea fagurilor cu funcții specifice, fie că obiectivul este livrarea de gene benefice sau eliminarea selectivă a bacteriilor dăunătoare.”
În viitor, această metodă ar putea accelera eforturile de dezvoltare a fagurilor inginerizați pentru medicină, remedierea mediului și biotehnologia industrială. Deoarece abordarea se bazează pe tehnici comune de biologie moleculară, cum ar fi secvențierea ampliconului, mai degrabă decât pe metode consumatoare de timp, ar putea permite, de asemenea, studii pe scară largă ale ecologiei virale în microbiome diverse.
