Учёные из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн разработали метод выделения генов из микроскопических количеств ДНК

от

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн создали метод выделения генов из настолько малых количеств микробной ДНК, что для получения веса, равного весу одного зёрнышка сахара, потребовалось бы 20 000 образцов.

В статье, опубликованной в журнале mSystems, учёные описали обнаружение ранее неизвестных генов устойчивости к антибиотикам в бактериальной ДНК, выделенной из стула человека и из аквариумов в Чикагском океанариуме Шедда.

«С ростом устойчивости к антибиотикам как никогда важно понимать всё разнообразие механизмов, которые бактерии могут использовать для инактивации или обхода антибиотиков», — сказал Теренс Крофтс, доцент кафедры зоологии, входящей в состав Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук штата Иллинойс. «Если мы сможем получить более чёткое представление о генах устойчивости к антибиотикам, существующих в окружающей среде, это даст биомедицинским исследователям возможность искать их в клинике и, возможно, разрабатывать более эффективные препараты».

Метод METa assembly

Крофтс разработал метод, известный как METa assembly, для улучшения микробиологического инструмента, известного как функциональная метагеномная библиотека. Этот метод позволяет исследователям выделять бактериальные гены из окружающей среды. Он позволяет собирать образцы почвы, стула или других образцов окружающей среды и проводить скрининг на наличие потенциально новых микробных генов без необходимости культивирования микробов или секвенирования их геномов. Однако для метода METa assembly требуется в 100 раз меньше ДНК, чем для стандартных функциональных метагеномных библиотек, что полезно в условиях, когда микробы встречаются редко или когда исследователи не могут взять большие образцы.

«Раньше мы выделяли ДНК из бактерий и просто секвенировали её, но в этих средах так много новых генов, что наши возможности секвенирования значительно опередили нашу способность угадывать функции этих генов», — сказал Крофтс. «Многие из этих генов имеют неизвестные функции, поэтому функциональные метагеномные экраны — это способ обойти эту проблему».

Вместо секвенирования ДНК исследователи используют фермент для расщепления её на фрагменты размером с ген, которые затем вводят в бактерии E. coli в лаборатории. E. coli, которую легче выращивать в лабораторных условиях, чем многие другие микробы, включает чужеродную ДНК в свой генетический аппарат и начинает проявлять её свойства.

«Если E. coli имеет ген устойчивости, она может выжить под воздействием антибиотика. Если нет — она погибает», — сказал он. «У нас может быть 10 миллионов клеток E. coli в чашке Петри с 10 миллионами уникальных случайных фрагментов ДНК из окружающей среды. Если мы подвергнем их воздействию определённого антибиотика, и выживут только 10 колоний, мы будем знать, что у них есть ген устойчивости. Затем становится очень легко взять эти колонии и секвенировать фрагмент ДНК, который они захватили из этого образца окружающей среды».

Даже если результаты секвенирования покажут гены для неизвестных белков, исследователи будут знать, что они играют роль в устойчивости к антибиотикам, и смогут сразу приступить к изучению их механизмов.

Новые открытия

Крофтс и его команда испытали метод на образце воды из большого аквариума в Чикагском океанариуме Шедда, где микробы встречаются гораздо реже, чем в других средах, например, в почве. Они также протестировали крошечный образец из продукта, который обычно изобилует бактериями: человеческих фекалий.

«Поскольку водные образцы обычно содержат меньше микробов, из них обычно нельзя получить столько ДНК, но мы показали, что всё равно можем создавать хорошие библиотеки из образцов из аквариума», — сказал Крофтс. «Также важно, что мы смогли создать функциональную метагеномную библиотеку всего из одного мазка фекалий. Это может быть полезно для клинических условий».

Команда не только создала библиотеки из этих образцов, но и сделала новые открытия о том, как микробы сопротивляются антибиотикам. Например, в последовательностях, устойчивых к тетрациклину, из океанариума Шедда исследователи идентифицировали новые типы эффлюкс-насосов — белковых каналов, которые перекачивают вещества через клеточную мембрану — которые удаляют тетрациклин из клеток.

Интересно, что некоторые колонии E. coli из образца человеческих фекалий оказались устойчивы к группе антибиотиков, известных как стрептотрицины. Они были протестированы в 1940-х годах, но так и не были выпущены на рынок из-за токсичности для почек у млекопитающих. Однако в условиях современного ландшафта устойчивости к антибиотикам Крофтс говорит, что биомедицинские исследователи снова изучают стрептотрицины (в менее токсичных формах).

«Мы обнаружили то, что выглядит как совершенно новое семейство белков, устойчивых к стрептотрицину, в наших последовательностях», — сказал он. «Стрептотрицин рассматривается как потенциально клинически полезный антибиотик, но мы должны действительно попытаться выяснить, какая устойчивость уже существует в окружающей среде. И вместо того, чтобы делать традиционные стрептотрицины менее токсичными, возможно, нам следует создать аналог следующего поколения, который сможет победить механизмы устойчивости к антибиотикам, которые могут уже существовать в природе».

Крофтс планирует применить свой метод METa assembly в сельскохозяйственных системах — отбирая пробы почвы и от «носа до хвоста» у домашнего скота, поскольку устойчивость к антибиотикам не только возникает на ферме, но и часто зарождается там.

«Мы производим много антибиотиков путём культивирования почвенных бактерий, которые вырабатывают антибиотики в качестве оружия для борьбы с другими бактериями. Поэтому в почве существует очень богатое разнообразие генов устойчивости к антибиотикам», — сказал Крофтс. «Сельское хозяйство ставит всех этих млекопитающих в тесную связь с этим резервуаром генов устойчивости к антибиотикам в почве. Поскольку мы даём этим животным большое количество антибиотиков, это становится очень благоприятной средой для развития устойчивости и её перехода к бактериям, которые могут повлиять на наше здоровье».

Предоставлено:
University of Illinois at Urbana-Champaign

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте