Исследователи повторно собирают плазмиду для доставки генов в различные микробиомы окружающей среды

Инженерия микробиома находится на переднем крае улучшения здоровья человека и продуктивности сельского хозяйства. Он направлен на улучшение функции экосистемы путем изменения состава микробов. Это может быть достигнуто с помощью подхода «снизу вверх», включающего внедрение искусственных микробов в сообщество.

Однако устойчивость существующих видов препятствует установлению новых членов. Вместо этого лучше доставлять чужеродный генетический материал, используя подход «сверху вниз», который включает горизонтальный перенос генов (HGT) между микробами. Основная цель здесь – создать эффективные системы для распространения сконструированной ДНК в сложном микробном сообществе.

Процессы HGT включают конъюгацию, трансформацию и трансдукцию. Система конъюгации, переносимая плазмидой (небольшой внехромосомной ДНК) RP4 (также известной как RK2), открытой в 1969 году, является проверенной моделью переноса ДНК как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий. Более того, теперь ученые готовы расширить набор инструментов для инженерии микробиома на основе плазмиды RP4 для широкого круга микроорганизмов.

С этой целью исследовательская группа из Испанского национального центра биотехнологии в Мадриде повторно собрала плазмиду RP4, чтобы создать вектор, который может распространять генетически закодированные признаки в различных микробных сообществах.

Исследователи модифицировали функциональные компоненты RP4, чтобы создать «pMATING», систематический самотрансмиссивный плазмидный вектор. Исследование было опубликовано в Исследования биодизайна группой под руководством профессора Виктора де Лоренцо и его коллег Томаса Апарисио, Джиллиан Силберт и Шерезаде Сепеда. «Конечным результатом нашего исследования стал набор инструментов, оптимизированный для доставки и циркуляции генов в естественных микробных консорциумах», — говорит профессор Лоренцо.

Сначала команда поставила эксперименты по спариванию, чтобы проверить эффективность pMATING у двух разных грамотрицательных видов, Escherichia coli и Pseudomonas putida EM42. Благодаря высокой эффективности переноса pMATING может успешно перейти от E. coli к P. putida и наоборот.

Имея это в виду, исследователи провели два дополнительных теста на конъюгацию для переноса ДНК из E.coli в грамположительную бактерию Bacillus subtilis и дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Они были поражены, обнаружив, что pMATING может передавать ДНК обоим реципиентам, указывая на «конъюгацию между царствами» от бактерий к грибам, концепция, о которой редко сообщалось в других местах.

Затем исследователи исследовали, может ли их недавно созданная плазмида распространяться на различные виды бактерий. Независимые микробные пулы были выделены из образцы почвы взяты из двух разных мест в Испании, и перенос pMATING отслеживался с помощью зелено-флуоресцентной метки. За исключением нескольких, большинство этих изолятов смогли успешно получить ДНК.

Этот перенос также был подтвержден на внелабораторном образце естественной почвы, покрытом бактериями-донорами P. putida. Эти результаты, по-видимому, решают серьезную проблему, связанную с применением HGT к бактериям, живущим в естественной среде.

Хотя исследование отвечает на большинство вопросов о переносе векторов между бактериальными сообществами, самым большим неизвестным остается вопрос о том, становятся ли реципиенты донорами после получения плазмиды. «Это правда, что pMATING позволяет бактериям передавать плазмиду другим бактериям. Однако это не всегда так. Это не связано с неспособностью реципиента принять чужеродную ДНК. Скорее, некоторые доноры могут неохотно передавать свою ДНК. к другим видам», — объясняет профессор Лоренцо.

В то время как в предыдущих исследованиях сообщалось о конъюгативном переносе между различными микроорганизмами, pMATING является первым, доставляющим гены через микробиомы окружающей среды. Профессор Лоренцо заключает: «С его относительно маленький размер и простота использования, pMATING2 может быть фантастическим инструментом для потока генов в сложных бактериальных сообществах. Будущие векторы, вдохновленные этим, будут полезны для расширения целевых микробных ниш для медицинских, экологических и промышленных применений».