Ingenjörer upptäcker ny mekanism för genöverföring

Summary of the selection procedure for isolating C. acetobutylicum strains, which have acquired p100ptaHalo plasmid DNA from C. ljungdahlii-ptaHalo cells in the coculture. Credit: mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.03133-23
Summary of the selection procedure for isolating C. acetobutylicum strains, which have acquired p100ptaHalo plasmid DNA from C. ljungdahlii-ptaHalo cells in the coculture. Credit: mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.03133-23

Om du fortfarande minns ”Dear King Phillip Came Over For Good Spaghetti” så minns du säkert också de motsvarande taxonomiska nivåerna inom biologin: domän, rike, fylum, klass, ordning, familj, släkte och art. Domänerna omfattar prokaryoter, encelliga organismer som bakterier och arkéer, och eukaryoter, som omfattar svampar, växter och djur.

Eukaryoter genomgår evolution när mutationer överförs från förälder till avkomma, så kallad vertikal genöverföring. För prokaryoter kan evolutionen ske genom horisontell genöverföring (förkortas HGT), där genetisk information delas direkt mellan bakterier. Denna process gör att enskilda organismer, och till och med hela arter, snabbt kan få nya gener, inklusive potentiellt farliga gener som de som ger antibiotikaresistens.

Vid University of Delaware, i labbet hos Eleftherios ”Terry” Papoutsakis, Unidel Eugene du Pont Chair Professor vid College of Engineering’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Department of Biological Sciences och Delaware Biotechnology Institute, har forskare nyligen upptäckt en ny mekanism genom vilken HGT kan uppstå i bakterier.

Resultaten i denna studie, som leddes av doktorand Kamil Charubin och doktorand John Hill, utökar den nuvarande förståelsen av evolution och överlevnadsstrategier för komplexa mikrobiomer, med konsekvenser för områden som sträcker sig från ekologi till bioteknik och medicin. Studien publicerades i tidskriften mBio.

Forskningen för gruppens senaste artikel började efter att Charubin observerat att två arter av bakterier (Clostridium acetobutylicum och C. ljungdahlii) utbytte näringsämnen, metaboliter och cellulärt material i hög hastighet när de befann sig i närheten av varandra. De upptäckte att cellerna använde en mekanism som kallas heterolog cellfusion för att överföra material och ville se om bakterier också kunde överföra genetisk information genom denna mekanism.

”Det handlade inte bara om ett fåtal proteiner utan omfattade faktiskt det mesta av materialet i cytoplasman”, säger Hill. ”Dessa resultat fick oss att undersöka om genetiskt material, inklusive plasmider, också kunde utbytas.”

För att se om genöverföring också skedde när bakteriecellerna var i nära kontakt anpassade Hill gruppens laboratorietekniker så att de kunde spåra rörelsen hos bakteriernas genom och plasmider (cirkulära bitar av DNA som används av bakterier och som är skilda från deras genom). Forskarna använde också selektiva subkulturtekniker och isolerade C. acetobutylicum-celler efter att de hade tagit upp plasmider från C. ljungdahlii, och bekräftade sedan genöverföringen med PacBio Single-Molecule Real Time (SMRT) sekvenseringsdata.

Resultaten av denna forskning visar att de två Clostridium-arterna verkligen kan dela genetisk information via heterolog cellfusion, en mekanism för HGT ”som inte tidigare har övervägts eller observerats tidigare”, säger Papoutsakis. ”Genom heterolog cellfusion fann vi att det sker ett utbyte av DNA mellan mikroberna och att de resulterande hybridcellerna innehåller stora mängder genomiskt DNA från båda organismerna.”

Forskarna säger att gruppens senaste artikel ger nya insikter i de processer och drivkrafter som ligger bakom bakterieutvecklingen.

”Vi vet att mikrobiellt liv har utvecklats i naturligt förekommande samhällen, och om det finns ett stort antal interaktioner mellan arter, inklusive genutbyte, skulle det avslöja en annan aspekt av mikrobiell evolution”, säger Hill. ”Dessa resultat skulle kunna tyda på att mikrober inte utvecklas oberoende av varandra utan att det snarare finns en mångfald av evolutionära banor inom lokala miljöer som motiveras av en mängd olika externa påtryckningar, inklusive HGT.”

Papoutsakis tillade att denna studie även kan få konsekvenser inom andra områden, särskilt om det är ett annat sätt för bakterier att överföra egenskaper som antibiotikaresistens till varandra.

”Det finns mycket mer komplexitet och interaktion mellan mikrober i naturliga mikrobiom, till exempel i miljön eller i den mänskliga tarmen”, säger Papoutsakis. ”Den här typen av mekanism för HGT kan verkligen få viktiga fysiologiska och medicinska konsekvenser.”

Ytterligare information: Kamil Charubin et al, DNA transfer between two different species mediated by heterologous cell fusion in Clostridium coculture, mBio (2024). DOI: 10.1128/mbio.03133-23

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.