Duke biomedicinske ingeniører opdager bakterielt DNA's opskrift på succes

Forskerne håber, at deres nye model vil lægge grunden til, at andre bedre kan modellere og forudsige, hvor vigtige egenskaber som antibiotikaresistens hos patogener eller metaboliske evner hos bakterier, der er opdrættet til at rense miljøforurening, vil spredes og vokse i et givet miljø.

Resultaterne vises online den 4. november i tidsskriftet Nature Communications.

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har udviklet en ny måde at modellere, hvordan potentielt gavnlige pakker af DNA kaldet plasmider kan cirkulere og akkumulere gennem et komplekst miljø, der omfatter mange bakteriearter. Arbejdet har også gjort det muligt for holdet at udvikle en ny faktor kaldet "vedholdenhedspotentialet", der, når det først er målt og beregnet, kan forudsige, hvorvidt et plasmid vil fortsætte med at trives i en given population eller gradvist forsvinde i glemmebogen.

Forskerne håber, at deres nye model vil lægge grunden til, at andre bedre kan modellere og forudsige, hvor vigtige egenskaber som antibiotikaresistens hos patogener eller metaboliske evner hos bakterier, der er opdrættet til at rense miljøforurening, vil spredes og vokse i et givet miljø.

Resultaterne vises online den 4. november i tidsskriftet Nature Communications.

Ud over den darwinistiske proces med at videregive gener, der er vigtige for overlevelse fra forældre til afkom, deltager bakterier også i en proces, der kaldes horisontal genoverførsel. Bakterier deler konstant genetiske opskrifter på nye evner på tværs af arter ved at bytte forskellige pakker af genetisk materiale kaldet plasmider med hinanden.

"I en undersøgelse af blot en enkelt flaske havvand var der 160 bakteriearter, der byttede 180 forskellige plasmider," sagde Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik ved Duke. "Selv i en enkelt flaske vand ville brug af nuværende metoder til at modellere plasmidmobilitet langt overstige hele verdens kollektive computerkraft. Vi har udviklet et system, der forenkler modellen og samtidig bevarer dens evne til præcist at forudsige de endelige resultater."

Potentialet for enhver af disse genetiske pakker til at blive almindelig i en given population eller miljø er dog langt fra sikkert. Det afhænger af en lang række variabler, såsom hvor hurtigt pakkerne deles, hvor længe bakterierne overlever, hvor gavnligt det nye DNA er, hvilke afvejninger der er for disse fordele og meget mere.

At være i stand til at forudsige skæbnen for en sådan genetisk pakke kunne hjælpe mange områder - måske især spredningen af antibiotikaresistens og hvordan man bekæmper den. Men de modeller, der kræves for at gøre det i et naturtro scenarie, er for komplicerede at løse.

"Det mest komplekse system, vi nogensinde har været i stand til at modellere matematisk, er tre arter af bakterier, der deler tre plasmider," sagde You. "Og selv dengang var vi nødt til at bruge et computerprogram bare for at generere ligningerne, for ellers ville vi blive for forvirrede med antallet af termer, der var nødvendige."

I det nye studie har Du og hans kandidatstuderende, Teng Wang, skabt en ny ramme, der i høj grad reducerer modellens kompleksitet, efterhånden som flere arter og plasmider tilføjes. I den traditionelle tilgang er hver population opdelt i flere subpopulationer baseret på hvilke plasmider de bærer. Men i det nye system er disse delpopulationer i stedet beregnet til en enkelt. Dette skærer drastisk ned på antallet af variabler, som stiger på en lineær måde, efterhånden som nye bakterier og plasmider tilføjes i stedet for eksponentielt.

Denne nye tilgang gjorde det muligt for forskerne at udlede et enkelt styrende kriterium, der tillader forudsigelse af, hvorvidt et plasmid vil forblive i en given population. Det er baseret på fem vigtige variabler: omkostningerne for bakterierne ved at have det nye DNA, hvor ofte DNA'et går tabt, hvor hurtigt populationen fortyndes af strømmen gennem populationen, hvor hurtigt DNA'et udskiftes mellem bakterier, og hvor hurtigt befolkningen som helhed vokser.

Med målinger for disse variable i hånden kan forskere beregne befolkningens "plasmidpersistens". Hvis dette tal er større end én, vil den genetiske pakke overleve og spredes, med højere tal, der fører til større overflod. Hvis der er mindre end én, forsvinder den i glemslen.

"Selvom modellen er forenklet, har vi fundet ud af, at den er rimelig nøjagtig under visse begrænsninger," sagde Wang. "Så længe det nye DNA ikke lægger for stor byrde på bakterierne, vil vores nye ramme lykkes."

Du og Wang testede deres nye modelleringstilgang ved at konstruere en håndfuld forskellige syntetiske samfund, hver med forskellige stammer af bakterier og genetiske pakker til at bytte. Efter at have kørt eksperimenterne fandt de ud af, at resultaterne passede ganske godt inden for forventningerne til deres teoretiske ramme. Og for at gå den ekstra mil, tog forskerne også data fra 13 tidligere offentliggjorte artikler og kørte også deres numre. Disse resultater understøttede også deres nye model.

"Plasmidpersistenskriteriet giver os håb om at bruge det til at guide nye applikationer," sagde You. "Det kunne hjælpe forskere med at konstruere et mikrobiom ved at kontrollere det genetiske flow for at opnå en bestemt funktion. Eller det kan give os vejledning om, hvilke faktorer vi kan kontrollere for at eliminere eller undertrykke visse plasmider fra bakteriepopulationer, såsom dem, der er ansvarlige for antibiotikaresistens."

Denne forskning blev støttet af National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) og David og Lucile Packard Foundation.

CITATION: "The Persistence Potential of Transferable Plasmids," Teng Wang & Lingchong You. Nature Communications, 9. november 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(C) Duke University 

Original artikelkilde: WRAL TechWire