09:00 
Междисциплинарная группа исследователей из Университета Райса обнаружила ранее неизвестные связи между бактериофагами - вирусами, которые заражают бактерии - и их бактериальными хозяевами, предлагая новый мощный инструмент для инженерии микробиома следующего поколения.
Висследовании, опубликованном в Nature Communications, используется разработанная на рисе система штрих-кодирования на основе РНК, которая позволяет ученым определить, какие бактерии получают генетический материал от бактериофагов (также известных как фаги) в сложных микробных средах. Этот подход позволил исследователям выявить ранее не зарегистрированную группу бактериальных хозяев для хорошо изученного бактериофага P1 и изучить, как тонкие изменения в вирусной структуре влияют на то, на какие микробы может быть нацелен фаг.
«Фаги повсюду, и они играют огромную роль в формировании микробных сообществ и перемещении генов между бактериями», - сказала соответствующий автор Лорен Штадлер, доцент кафедры гражданского и экологическогоинжиниринг.
Но определение того, какие фаги взаимодействуют с какими хозяевами в реальных микробных сообществах, было давней проблемой. Эта работа дает нам масштабируемый способ прямого наблюдения за этими взаимодействиями."
Лорен Штадлер, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии, Университет Райса
Фаги являются наиболее распространенными биологическими сущностями на Земле, превосходя численностью все другие формы жизни. Они влияют на микробные экосистемы, убивая бактерии, изменяя их метаболизм и передавая гены между организмами. Ученые все больше заинтересованы в использовании фагов в качестве альтернатив антибиотикам и в качестве инструментов для инженерии микробиомов, но традиционные методы понимания того, какие бактерии фаг может заразить, часто требуют культивирования бактерий в лаборатории, являются трудоемкими или не могут различить вирусы, просто прикрепляющиеся к клеткам и успешно переносящие ДНК.
Чтобы преодолеть эти ограничения,команда Райса, в которую также входили Джеймс Чаппелл, адъюнкт-профессор биологических наук, и Джонатан Силберг, мемориальный профессор Стюарта из BioSciences, среди прочих, адаптировали свою синтетическую биологическую платформу, известную как РНК-адресуемая модификация. Первоначально разработанная для отслеживания переноса генов посредством бактериальной конъюгации, система использует сконструированный рибозим (цепь РНК, способную катализировать специфические биохимические реакции), который вставляет уникальный «штрих-код» в 16S рибосомную РНК бактерии после получения ДНК от фага. Затем исследователи могут идентифицировать организм-реципиент с помощью целевого секвенирования РНК.
«Вместо того, чтобы пытаться изолировать каждое взаимодействие по отдельности, мы позволяем фагу оставлять молекулярную подпись в клетках, которых он достигает», - сказал Штадлер. «Это дает нам чувствительный, высокопроизводительный способ картирования диапазона хозяев непосредственно в микробных сообществах."
Исследователи включили систему штрих-кодирования вк бактериофагу P1, вирусу, который, как известно, переносит ДНК среди кишечных бактерий (микроорганизмов, которые обитают в основном в кишечных трактах людей и животных) и, как полагают, способствует распространению генов устойчивости к антибиотикам. Затем они протестировали этот подход на лабораторно выращенных микробных сообществах и в сточных водах, собранных на очистных сооружениях в Хьюстоне.
Эксперименты со сточными водами привели к еще более удивительному открытию. Среди организмов, получавших генетический материал от P1, были представители отряда Aeromonadales, включая Aeromonas hydrophila, обычную бактерию сточных вод, которая никогда ранее не идентифицировалась как хозяин P1.
«Поиск совершенно новой группы хозяев в сложном образце окружающей среды демонстрирует силу этого подхода», - сказал Штадлер. «Вероятно, существует много важных отношений фаг-хозяин, которые остаются скрытыми просто потому, что у нас не было инструментов, чтобы наблюдать за ними легко и без трудоемких методов».
Команда также использовала эту технологию для изучения того, как различные вирусные хвостовые волокна - белковые структуры, используемые фагами для распознавания и прикрепления к бактериям, - влияют на диапазон хозяев. Сконструировав частицы фагового происхождения с альтернативными хвостовыми волокнами и применив систему штрих-кодирования РНК, исследователи показали, что каждое хвостовое волокно нацелено на определенный набор микробов в сообществах сточных вод.
«Эти эксперименты позволили нам увидеть, как относительно небольшие генетические изменения в фаге могут резко изменить бактерии, с которыми он взаимодействует», - сказал Штадлер. «Эта информация невероятно ценна для разработки фагов с определенными функциями, независимо от того, является ли целью доставка полезных генов или выборочное устранение вредных бактерий."
В будущем этот метод может ускорить усилия по разработке инженерных фагов для медицины, восстановления окружающей среды и промышленной биотехнологии. Потому что подход опирается на общие методы молекулярной биологии, такие каксеквенирование пликона, а не трудоемкие методы культивирования, также может позволить провести крупномасштабные исследования вирусной экологии в различных микробиомах.
Авторами исследования также были Закари Латурнер, докторант лаборатории Штадлера, который в настоящее время является докторантом Института инновационной геномики Калифорнийского университета в Беркли, и аспиранты Райса Мэтью Дайсарт, Сэмюэль Шварц и Элизабет Зенг. Это исследование объединило ученых из отделов гражданской и экологической инженерии, биологических наук, биоинженерии и химической и биомолекулярной инженерии Райса, а также магистерской программы по системам, синтетической и физической биологии.
