デューク大学の生物医学エンジニアが細菌 DNA の成功の秘訣を発見

研究者らは、この新しいモデルが他の人にとって、病原体の抗生物質耐性や環境汚染を浄化するために飼育された細菌の代謝能力などの重要な形質が、特定の環境でどのように広がり、増殖するかをより適切にモデル化し、予測するための基礎となることを期待している。

この結果は、11 月 4 日にオンライン雑誌 Nature Communications に掲載されます。

デューク大学の生物医学工学者らは、プラスミドと呼ばれる潜在的に有益な DNA パッケージが、多くの細菌種を含む複雑な環境を通じてどのように循環し、蓄積するかをモデル化する新しい方法を開発しました。この研究により、チームは「持続可能性」と呼ばれる新しい因子を開発することもできました。この因子は、一度測定して計算すると、プラスミドが特定の集団内で繁栄し続けるか、それとも徐々に忘れ去られるかを予測することができます。

研究者らは、この新しいモデルが他の人にとって、病原体の抗生物質耐性や環境汚染を浄化するために飼育された細菌の代謝能力などの重要な形質が、特定の環境でどのように広がり、増殖するかをより適切にモデル化し、予測するための基礎となることを期待している。

この結果は、11 月 4 日にオンライン雑誌 Nature Communications に掲載されます。

生存に重要な遺伝子を親から子に伝えるダーウィンのプロセスに加えて、細菌は水平遺伝子伝達と呼ばれるプロセスも行います。細菌は、プラスミドと呼ばれる遺伝物質の異なるパッケージを互いに交換することにより、種を超えて新しい能力の遺伝レシピを常に共有しています。

「たった1本の海水ボトルを調べたところ、160種の細菌が180種の異なるプラスミドを交換していた」とデューク大学の生物医工学教授、リンチョン・ユー氏は語る。 「たとえ 1 本の水のボトルであっても、現在の方法を使用してプラスミドの移動性をモデル化すると、全世界の総合的な計算能力をはるかに超えるでしょう。私たちは、最終的な結果を正確に予測する能力を維持しながら、モデルを簡素化するシステムを開発しました。」

しかし、これらの遺伝子パッケージのいずれかが特定の集団または環境全体に共通する可能性があるかどうかは、決して確実ではありません。それは、パッケージがどのくらい早く共有されるか、バクテリアがどのくらい長く生存するか、新しい DNA がどれほど有益であるか、それらの利点とのトレードオフは何かなど、幅広い変数によって決まります。

このような遺伝子パッケージの運命を予測できれば、多くの分野で役立つ可能性があります。おそらく最も注目すべきは、抗生物質耐性の蔓延とそれに対抗する方法です。しかし、現実のようなシナリオでこれを行うために必要なモデルは複雑すぎて解決できません。

「これまで数学的にモデル化できた中で最も複雑なシステムは、3 つのプラスミドを共有する 3 種の細菌です」と You 氏は言います。 「それでも、方程式を生成するためだけにコンピューター プログラムを使用する必要がありました。そうしないと、必要な項の数が多すぎて混乱してしまうからです。」

新しい研究で、You と彼の大学院生である Teng Wang は、より多くの種やプラスミドが追加されるにつれてモデルの複雑さを大幅に軽減する新しいフレームワークを作成しました。従来のアプローチでは、各集団は、どのプラスミドを保有しているかに基づいて複数の部分集団に分割されます。しかし、新しいシステムでは、これらの部分母集団は代わりに単一の部分母集団に平均化されます。これにより変数の数が大幅に削減され、新しい細菌やプラスミドが追加されると変数の数は指数関数的にではなく直線的に増加します。

この新しいアプローチにより、研究者らは、プラスミドが特定の集団内で存続するかどうかを予測できる単一の支配基準を導き出すことができました。これは 5 つの重要な変数に基づいています: 新しい DNA を持つ細菌のコスト、DNA が失われる頻度、集団を通過する流動によって集団がどれだけ早く希釈されるか、細菌間で DNA が交換される速さ、そして細菌間で DNA が交換される速さ全体としての人口は増加しています。

これらの変数の測定値を入手すれば、研究者は集団の「プラスミド持続性」を計算できます。その数が 1 より大きい場合、遺伝子パッケージは生き残って広がり、数値が大きいほど豊富さが増します。 1 未満の場合は、忘却の彼方に消えていきます。

「モデルは単純化されていますが、特定の制約の下ではかなり正確であることがわかりました」と Wang 氏は言います。 「新しい DNA が細菌に過度の負担をかけない限り、私たちの新しい枠組みは成功するでしょう。」

あなたとワンは、それぞれが異なる細菌株と交換用の遺伝子パッケージを備えたいくつかの異なる合成コミュニティを設計することで、新しいモデリング アプローチをテストしました。実験を実行した後、結果が理論的枠組みの予想内に非常によく適合することがわかりました。さらに、研究者らはさらに、以前に発表された 13 件の論文からデータを取得し、その数値も計算しました。これらの結果は、新しいモデルを裏付けるものでもありました。

「プラスミド持続性の基準は、新しいアプリケーションの指針としてそれを使用できるという希望を与えてくれます。」と You 氏は言いました。 「特定の機能を達成するために遺伝子の流れを制御することにより、研究者がマイクロバイオームを設計するのに役立つ可能性があります。あるいは、抗生物質耐性の原因となる特定のプラスミドを細菌集団から除去または抑制するためにどのような要因を制御できるかについての指針を与えることもできます。」

この研究は、国立衛生研究所 (R01A1125604、R01GM110494) およびデビッド & ルシル パッカード財団の支援を受けました。

引用: 「転移可能なプラスミドの持続可能性」、Teng Wang & Lingchong You。 Nature Communications、2020 年 11 月 9 日。DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7

(C)デューク大学 

元の記事の出典: WRAL TechWire