Biomedische ingenieurs van Duke ontdekken het succesrecept van bacterieel DNA
Datum gepubliceerd:DURHAM – Biomedische ingenieurs aan de Duke University hebben een nieuwe manier ontwikkeld om te modelleren hoe potentieel nuttige DNA-pakketten, plasmiden genaamd, kunnen circuleren en accumuleren in een complexe omgeving die veel bacteriesoorten omvat. Het werk heeft het team ook in staat gesteld een nieuwe factor te ontwikkelen, het ‘persistentiepotentieel’ genaamd, die, eenmaal gemeten en berekend, kan voorspellen of een plasmide in een bepaalde populatie zal blijven gedijen of geleidelijk in de vergetelheid zal verdwijnen.
De onderzoekers hopen dat hun nieuwe model de basis zal leggen voor anderen om beter te kunnen modelleren en voorspellen hoe belangrijke eigenschappen, zoals antibioticaresistentie bij ziekteverwekkers of metabolische capaciteiten van bacteriën die zijn gekweekt om milieuvervuiling op te ruimen, zich in een bepaalde omgeving zullen verspreiden en groeien.
De resultaten verschijnen op 4 november online in het tijdschrift Nature Communications.
Biomedische ingenieurs aan de Duke University hebben een nieuwe manier ontwikkeld om te modelleren hoe potentieel nuttige DNA-pakketten, plasmiden genaamd, kunnen circuleren en accumuleren in een complexe omgeving die veel bacteriesoorten omvat. Het werk heeft het team ook in staat gesteld een nieuwe factor te ontwikkelen, het ‘persistentiepotentieel’ genaamd, die, eenmaal gemeten en berekend, kan voorspellen of een plasmide in een bepaalde populatie zal blijven gedijen of geleidelijk in de vergetelheid zal verdwijnen.
De onderzoekers hopen dat hun nieuwe model de basis zal leggen voor anderen om beter te kunnen modelleren en voorspellen hoe belangrijke eigenschappen, zoals antibioticaresistentie bij ziekteverwekkers of metabolische capaciteiten van bacteriën die zijn gekweekt om milieuvervuiling op te ruimen, zich in een bepaalde omgeving zullen verspreiden en groeien.
De resultaten verschijnen op 4 november online in het tijdschrift Nature Communications.
Naast het darwinistische proces waarbij genen die belangrijk zijn voor de overleving van ouders op nakomelingen worden doorgegeven, zijn bacteriën ook betrokken bij een proces dat horizontale genoverdracht wordt genoemd. Bacteriën delen voortdurend genetische recepten voor nieuwe vaardigheden tussen soorten door verschillende pakketten genetisch materiaal, plasmiden genaamd, met elkaar uit te wisselen.
“Bij een onderzoek van slechts één fles zeewater waren er 160 bacteriesoorten die 180 verschillende plasmiden verwisselden”, zegt Lingchong You, hoogleraar biomedische technologie bij Duke. “Zelfs in een enkele fles water zou het gebruik van de huidige methoden om de mobiliteit van plasmiden te modelleren de collectieve rekenkracht van de hele wereld ver te boven gaan. We hebben een systeem ontwikkeld dat het model vereenvoudigt en tegelijkertijd de mogelijkheid behoudt om de uiteindelijke resultaten nauwkeurig te voorspellen.”
Het potentieel van een van deze genetische pakketten om gemeengoed te worden in een bepaalde populatie of omgeving is echter verre van zeker. Het hangt af van een breed scala aan variabelen, zoals hoe snel de pakketten worden gedeeld, hoe lang de bacteriën overleven, hoe nuttig het nieuwe DNA is, wat de afwegingen zijn voor die voordelen en nog veel meer.
Het kunnen voorspellen van het lot van een dergelijk genetisch pakket zou veel terreinen kunnen helpen – misschien wel het meest in het bijzonder de verspreiding van antibioticaresistentie en de manier waarop deze kunnen worden bestreden. Maar de modellen die daarvoor nodig zijn in een levensecht scenario zijn te ingewikkeld om op te lossen.
"Het meest complexe systeem dat we ooit wiskundig hebben kunnen modelleren, bestaat uit drie soorten bacteriën die drie plasmiden delen", zei You. “En zelfs toen moesten we alleen maar een computerprogramma gebruiken om de vergelijkingen te genereren, omdat we anders te veel in de war zouden raken met het aantal termen dat nodig was.”
In de nieuwe studie creëerden jij en zijn afgestudeerde student, Teng Wang, een nieuw raamwerk dat de complexiteit van het model aanzienlijk vermindert naarmate er meer soorten en plasmiden worden toegevoegd. In de traditionele aanpak wordt elke populatie verdeeld in meerdere subpopulaties, op basis van de plasmiden die ze bij zich dragen. Maar in het nieuwe systeem worden deze subpopulaties in plaats daarvan gemiddeld tot één enkele. Hierdoor wordt het aantal variabelen drastisch verminderd, dat lineair toeneemt naarmate nieuwe bacteriën en plasmiden worden toegevoegd, in plaats van exponentieel.
Deze nieuwe aanpak stelde de onderzoekers in staat één enkel bepalend criterium af te leiden dat de voorspelling mogelijk maakt of een plasmide al dan niet in een bepaalde populatie zal blijven bestaan. Het is gebaseerd op vijf belangrijke variabelen: de kosten voor de bacteriën om het nieuwe DNA te hebben, hoe vaak het DNA verloren gaat, hoe snel de populatie wordt verdund door de stroom door de populatie, hoe snel het DNA tussen bacteriën wordt uitgewisseld en hoe snel de bevolking als geheel groeit.
Met metingen voor deze variabelen in de hand kunnen onderzoekers de ‘plasmidepersistentie’ van de populatie berekenen. Als dat aantal groter is dan één, zal het genetische pakket overleven en zich verspreiden, waarbij hogere aantallen tot een grotere overvloed leiden. Als het minder dan één is, zal het in de vergetelheid verdwijnen.
"Hoewel het model vereenvoudigd is, hebben we ontdekt dat het onder bepaalde beperkingen redelijk accuraat is", zegt Wang. “Zolang het nieuwe DNA de bacteriën niet te zwaar belast, zal ons nieuwe raamwerk slagen.”
Jij en Wang testten hun nieuwe modelleringsaanpak door een handvol verschillende synthetische gemeenschappen te ontwikkelen, elk met verschillende bacteriestammen en genetische pakketten om uit te wisselen. Na het uitvoeren van de experimenten ontdekten ze dat de resultaten redelijk goed binnen de verwachtingen van hun theoretisch raamwerk pasten. En om nog een stap verder te gaan, haalden de onderzoekers ook gegevens uit 13 eerder gepubliceerde artikelen en voerden ook hun cijfers uit. Die resultaten ondersteunden ook hun nieuwe model.
"Het plasmidepersistentiecriterium geeft ons de hoop het te gebruiken om nieuwe toepassingen te begeleiden", zei You. “Het zou onderzoekers kunnen helpen een microbioom te ontwikkelen door de genetische stroom te controleren om een bepaalde functie te bereiken. Of het kan ons richtlijnen geven over welke factoren we kunnen controleren om bepaalde plasmiden uit bacteriepopulaties te elimineren of te onderdrukken, zoals de plasmiden die verantwoordelijk zijn voor antibioticaresistentie.”
Dit onderzoek werd ondersteund door de National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) en de David and Lucile Packard Foundation.
CITATIE: "Het persistentiepotentieel van overdraagbare plasmiden", Teng Wang & Lingchong You. Nature Communications, 9 november 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-19368-7
(C) Duke Universiteit
Originele artikelbron: WRAL TechWire