המהנדסים הביו-רפואיים של דיוק מגלים את מתכון ה-DNA החיידקי להצלחה

החוקרים מקווים שהמודל החדש שלהם יניח את הבסיס עבור אחרים למודל טוב יותר ולחזות כיצד תכונות חשובות כמו עמידות לאנטיביוטיקה בפתוגנים או יכולות מטבוליות בחיידקים שגדלו לניקוי זיהום סביבתי יתפשטו ויגדלו בסביבה נתונה.

התוצאות מופיעות באינטרנט ב-4 בנובמבר בכתב העת Nature Communications.

מהנדסים ביו-רפואיים באוניברסיטת דיוק פיתחו דרך חדשה להדגים כיצד חבילות פוטנציאליות של DNA הנקראות פלסמידים יכולות להסתובב ולהצטבר דרך סביבה מורכבת הכוללת מינים רבים של חיידקים. העבודה גם אפשרה לצוות לפתח גורם חדש המכונה "פוטנציאל ההתמדה", שברגע שנמדד ומחושב, יכול לנבא אם פלסמיד ימשיך לשגשג באוכלוסיה נתונה או לא ייעלם בהדרגה אל השכחה.

החוקרים מקווים שהמודל החדש שלהם יניח את הבסיס עבור אחרים למודל טוב יותר ולחזות כיצד תכונות חשובות כמו עמידות לאנטיביוטיקה בפתוגנים או יכולות מטבוליות בחיידקים שגדלו לניקוי זיהום סביבתי יתפשטו ויגדלו בסביבה נתונה.

התוצאות מופיעות באינטרנט ב-4 בנובמבר בכתב העת Nature Communications.

בנוסף לתהליך הדרוויניאני של מסירת גנים חשובים להישרדות מההורים לצאצאים, חיידקים עוסקים גם בתהליך הנקרא העברת גנים אופקית. חיידקים חולקים כל הזמן מתכונים גנטיים ליכולות חדשות על פני מינים על ידי החלפת חבילות שונות של חומר גנטי הנקרא פלסמידים אחד עם השני.

"בבדיקה של בקבוק אחד בלבד של מי ים, היו 160 מיני חיידקים שהחליפו 180 פלסמידים שונים", אמר לינגצ'ונג יו, פרופסור להנדסה ביו-רפואית ב-Duke. "אפילו בבקבוק מים בודד, שימוש בשיטות עכשוויות למודל ניידות פלסמיד יעלה בהרבה מכוח המחשוב הקולקטיבי של העולם כולו. פיתחנו מערכת שמפשטת את המודל תוך שמירה על יכולתו לחזות במדויק את התוצאות הסופיות".

עם זאת, הפוטנציאל של כל אחת מהחבילות הגנטיות הללו להפוך לנפוץ בכל אוכלוסייה או סביבה נתונה, רחוק מלהיות בטוח. זה תלוי במגוון רחב של משתנים, כמו כמה מהר החבילות מחולקות, כמה זמן החיידקים שורדים, כמה מועיל ה-DNA החדש, מה היתרונות של היתרונות האלה ועוד הרבה יותר.

היכולת לחזות את גורלה של חבילה גנטית כזו יכולה לעזור לתחומים רבים - אולי בעיקר התפשטות העמידות לאנטיביוטיקה וכיצד להילחם בה. אבל המודלים הנדרשים לעשות זאת בתרחיש דמוי חיים הם מסובכים מדי לפתרון.

"המערכת המורכבת ביותר שאי פעם הצלחנו ליצור מודל מתמטי היא שלושה מינים של חיידקים החולקים שלושה פלסמידים," אמר אתה. "וגם אז, היינו צריכים להשתמש בתוכנת מחשב רק כדי ליצור את המשוואות, כי אחרת היינו מתבלבלים מדי עם מספר המונחים הדרושים."

במחקר החדש, אתה ותלמידו לתואר שני, טנג וואנג, יצרו מסגרת חדשה שמפחיתה מאוד את מורכבות המודל ככל שמתווספים עוד מינים ופלסמידים. בגישה המסורתית, כל אוכלוסייה מחולקת לתת-אוכלוסיות מרובות על סמך אילו פלסמידים הם נושאים. אבל בשיטה החדשה, תת-אוכלוסיות אלו ממוצעות ליחידה אחת. זה מצמצם באופן דרסטי את מספר המשתנים, שגדל בצורה ליניארית ככל שמתווספים חיידקים ופלסמידים חדשים ולא באופן אקספוננציאלי.

גישה חדשה זו אפשרה לחוקרים להסיק קריטריון יחיד המאפשר לחזות האם פלסמיד יישאר באוכלוסיה נתונה או לא. זה מבוסס על חמישה משתנים חשובים: העלות לחיידקים של קיום ה-DNA החדש, באיזו תדירות ה-DNA הולך לאיבוד, באיזו מהירות האוכלוסייה מדוללת על ידי השטף דרך האוכלוסייה, באיזו מהירות ה-DNA מחליף בין חיידקים וכמה מהר. האוכלוסייה כולה גדלה.

עם מדידות עבור משתנים אלה ביד, החוקרים יכולים לחשב את "התמדה של הפלסמיד" של האוכלוסייה. אם מספר זה גדול מאחד, החבילה הגנטית תשרוד ותתפשט, כאשר מספרים גבוהים יותר יובילו לשפע רב יותר. אם פחות מאחד, זה יתפוגג לתוך השכחה.

"למרות שהמודל פשוט, גילינו שהוא מדויק למדי תחת אילוצים מסוימים", אמר וואנג. "כל עוד ה-DNA החדש לא יטיל עומס גדול מדי על החיידקים, המסגרת החדשה שלנו תצליח".

אתה ו-ואנג בחנו את גישת הדוגמנות החדשה שלהם על ידי הנדסת קומץ של קהילות סינתטיות שונות, כל אחת עם זנים שונים של חיידקים וחבילות גנטיות להחלפה. לאחר הפעלת הניסויים, הם גילו שהתוצאות מתאימות למדי לציפיות של המסגרת התיאורטית שלהם. וכדי ללכת על המרחק, החוקרים לקחו גם נתונים מ-13 מאמרים שפורסמו בעבר והריצו גם את המספרים שלהם. תוצאות אלו תמכו גם במודל החדש שלהם.

"קריטריון התמדה של הפלסמיד נותן לנו תקווה להשתמש בו כדי להנחות יישומים חדשים", אמר אתה. "זה יכול לעזור לחוקרים להנדס מיקרוביום על ידי שליטה בזרימה הגנטית כדי להשיג פונקציה מסוימת. או שהוא יכול לתת לנו הדרכה לגבי הגורמים שאנו יכולים לשלוט כדי לחסל או לדכא פלסמידים מסוימים מאוכלוסיות חיידקים, כמו אלה האחראים לעמידות לאנטיביוטיקה."

מחקר זה נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (R01A1125604, R01GM110494) וקרן דייוויד ולוסייל פקארד.

ציטוט: "פוטנציאל ההתמדה של פלסמידים הניתנים להעברה," טנג וואנג ו-לינגצ'ונג יו. Nature Communications, 9 בנובמבר 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(ג) אוניברסיטת דיוק 

מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire