Biomedizinische Ingenieure von Duke entdecken das Erfolgsrezept der bakteriellen DNA

Die Forscher hoffen, dass ihr neues Modell den Grundstein dafür legen wird, dass andere besser modellieren und vorhersagen können, wie sich wichtige Merkmale wie die Antibiotikaresistenz bei Krankheitserregern oder die Stoffwechselfähigkeiten bei Bakterien, die zur Beseitigung von Umweltverschmutzung gezüchtet werden, in einer bestimmten Umgebung ausbreiten und wachsen.

Die Ergebnisse erscheinen am 4. November online in der Zeitschrift Nature Communications.

Biomedizinische Ingenieure der Duke University haben eine neue Methode zur Modellierung entwickelt, wie potenziell nützliche DNA-Pakete, sogenannte Plasmide, in einer komplexen Umgebung, zu der viele Bakterienarten gehören, zirkulieren und sich ansammeln können. Die Arbeit hat es dem Team auch ermöglicht, einen neuen Faktor namens „Persistenzpotenzial“ zu entwickeln, der, sobald er gemessen und berechnet wurde, vorhersagen kann, ob ein Plasmid in einer bestimmten Population weiterhin gedeihen oder allmählich in Vergessenheit geraten wird.

Die Forscher hoffen, dass ihr neues Modell den Grundstein dafür legen wird, dass andere besser modellieren und vorhersagen können, wie sich wichtige Merkmale wie die Antibiotikaresistenz bei Krankheitserregern oder die Stoffwechselfähigkeiten bei Bakterien, die zur Beseitigung von Umweltverschmutzung gezüchtet werden, in einer bestimmten Umgebung ausbreiten und wachsen.

Die Ergebnisse erscheinen am 4. November online in der Zeitschrift Nature Communications.

Neben dem darwinistischen Prozess der Weitergabe überlebenswichtiger Gene von den Eltern an die Nachkommen beteiligen sich Bakterien auch an einem Prozess, der als horizontaler Gentransfer bezeichnet wird. Bakterien teilen ständig genetische Rezepte für neue Fähigkeiten zwischen den Arten, indem sie verschiedene Pakete genetischen Materials, sogenannte Plasmide, untereinander austauschen.

„Bei einer Untersuchung nur einer einzigen Flasche Meerwasser gab es 160 Bakterienarten, die 180 verschiedene Plasmide austauschten“, sagte Lingchong You, Professor für biomedizinische Technik an der Duke. „Selbst in einer einzigen Flasche Wasser würde die Verwendung aktueller Methoden zur Modellierung der Plasmidmobilität die kollektive Rechenleistung der gesamten Welt bei weitem übersteigen. Wir haben ein System entwickelt, das das Modell vereinfacht und gleichzeitig seine Fähigkeit beibehält, die letztendlichen Ergebnisse genau vorherzusagen.“

Das Potenzial eines dieser genetischen Pakete, in einer bestimmten Population oder Umgebung verbreitet zu werden, ist jedoch alles andere als sicher. Dies hängt von einer Vielzahl von Variablen ab, beispielsweise davon, wie schnell die Pakete geteilt werden, wie lange die Bakterien überleben, wie nützlich die neue DNA ist, welche Kompromisse es für diese Vorteile gibt und vieles mehr.

Die Möglichkeit, das Schicksal eines solchen genetischen Pakets vorherzusagen, könnte vielen Bereichen helfen – vielleicht am bemerkenswertesten bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und deren Bekämpfung. Aber die dafür erforderlichen Modelle in einem lebensnahen Szenario sind zu kompliziert, um sie zu lösen.

„Das komplexeste System, das wir jemals mathematisch modellieren konnten, besteht aus drei Bakterienarten, die sich drei Plasmide teilen“, sagte You. „Und selbst dann mussten wir ein Computerprogramm verwenden, um die Gleichungen allein zu erstellen, weil wir sonst zu sehr durch die Anzahl der benötigten Terme gerieten.“

In der neuen Studie haben Sie und sein Doktorand Teng Wang ein neues Framework erstellt, das die Komplexität des Modells erheblich reduziert, wenn mehr Arten und Plasmide hinzugefügt werden. Beim traditionellen Ansatz wird jede Population basierend auf den Plasmiden, die sie tragen, in mehrere Subpopulationen unterteilt. Im neuen System werden diese Teilpopulationen jedoch stattdessen zu einer einzigen gemittelt. Dadurch wird die Anzahl der Variablen drastisch reduziert, die mit der Hinzufügung neuer Bakterien und Plasmide linear und nicht exponentiell zunimmt.

Dieser neue Ansatz ermöglichte es den Forschern, ein einziges maßgebliches Kriterium abzuleiten, das die Vorhersage ermöglicht, ob ein Plasmid in einer bestimmten Population persistieren wird oder nicht. Es basiert auf fünf wichtigen Variablen: den Kosten für die Bakterien, die mit der neuen DNA verbunden sind, wie oft die DNA verloren geht, wie schnell die Population durch den Fluss durch die Population verdünnt wird, wie schnell die DNA zwischen Bakterien ausgetauscht wird und wie schnell Die Gesamtbevölkerung wächst.

Mit den vorliegenden Messungen dieser Variablen können Forscher die „Plasmidpersistenz“ der Population berechnen. Wenn diese Zahl größer als eins ist, wird das genetische Paket überleben und sich verbreiten, wobei höhere Zahlen zu einer größeren Häufigkeit führen. Wenn weniger als eins, wird es in Vergessenheit geraten.

„Obwohl das Modell vereinfacht ist, haben wir festgestellt, dass es unter bestimmten Einschränkungen einigermaßen genau ist“, sagte Wang. „Solange die neue DNA die Bakterien nicht zu sehr belastet, wird unser neues Gerüst gelingen.“

Sie und Wang haben ihren neuen Modellierungsansatz getestet, indem sie eine Handvoll verschiedener synthetischer Gemeinschaften konstruiert haben, jede mit unterschiedlichen Bakterienstämmen und genetischen Paketen zum Austausch. Nach Durchführung der Experimente stellten sie fest, dass die Ergebnisse recht gut mit den Erwartungen ihres theoretischen Rahmens übereinstimmten. Und um noch einen Schritt weiter zu gehen, haben die Forscher auch Daten aus 13 zuvor veröffentlichten Artikeln herangezogen und auch deren Zahlen berechnet. Diese Ergebnisse stützten auch ihr neues Modell.

„Das Kriterium der Plasmidpersistenz gibt uns die Hoffnung, es als Leitfaden für neue Anwendungen zu nutzen“, sagte You. „Es könnte Forschern dabei helfen, ein Mikrobiom zu entwickeln, indem es den genetischen Fluss steuert, um eine bestimmte Funktion zu erreichen. Oder es kann uns Hinweise darauf geben, welche Faktoren wir kontrollieren können, um bestimmte Plasmide aus Bakterienpopulationen zu eliminieren oder zu unterdrücken, beispielsweise solche, die für Antibiotikaresistenzen verantwortlich sind.“

Diese Forschung wurde von den National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) und der David and Lucile Packard Foundation unterstützt.

ZITAT: „Das Persistenzpotenzial übertragbarer Plasmide“, Teng Wang & Lingchong You. Nature Communications, 9. November 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(C) Duke University 

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire