Duke biomedicinska ingenjörer upptäcker bakteriellt DNA:s framgångsrecept

Forskarna hoppas att deras nya modell kommer att lägga grunden för andra att bättre modellera och förutsäga hur viktiga egenskaper som antibiotikaresistens hos patogener eller metaboliska förmågor hos bakterier som föds upp för att rena miljöföroreningar kommer att spridas och växa i en given miljö.

Resultaten visas online den 4 november i tidskriften Nature Communications.

Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har utvecklat ett nytt sätt att modellera hur potentiellt fördelaktiga paket av DNA som kallas plasmider kan cirkulera och ackumuleras genom en komplex miljö som inkluderar många bakteriearter. Arbetet har också gjort det möjligt för teamet att utveckla en ny faktor som kallas "beständighetspotentialen" som, när den väl har mätts och beräknats, kan förutsäga om en plasmid kommer att fortsätta att frodas i en given population eller gradvis försvinna i glömska.

Forskarna hoppas att deras nya modell kommer att lägga grunden för andra att bättre modellera och förutsäga hur viktiga egenskaper som antibiotikaresistens hos patogener eller metaboliska förmågor hos bakterier som föds upp för att rena miljöföroreningar kommer att spridas och växa i en given miljö.

Resultaten visas online den 4 november i tidskriften Nature Communications.

Förutom den darwinistiska processen att överlämna gener som är viktiga för överlevnad från föräldrar till avkomma, deltar bakterier också i en process som kallas horisontell genöverföring. Bakterier delar ständigt genetiska recept för nya förmågor mellan arter genom att byta ut olika paket av genetiskt material som kallas plasmider med varandra.

"I en undersökning av bara en enda flaska havsvatten fanns det 160 bakteriearter som bytte 180 olika plasmider", säger Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik vid Duke. "Även i en enda flaska vatten skulle användning av nuvarande metoder för att modellera plasmidmobilitet vida överstiga hela världens kollektiva datorkraft. Vi har utvecklat ett system som förenklar modellen samtidigt som den behåller dess förmåga att exakt förutsäga de slutliga resultaten.”

Potentialen för något av dessa genetiska paket att bli vanliga i en given population eller miljö är dock långt ifrån säker. Det beror på ett brett spektrum av variabler, som hur snabbt paketen delas, hur länge bakterierna överlever, hur fördelaktigt det nya DNA:t är, vilka avvägningar som är för dessa fördelar och mycket mer.

Att kunna förutsäga ödet för ett sådant genetiskt paket skulle kunna hjälpa många områden - kanske framför allt spridningen av antibiotikaresistens och hur man bekämpar den. Men de modeller som krävs för att göra det i ett verklighetstroget scenario är för komplicerade att lösa.

"Det mest komplexa systemet vi någonsin har kunnat modellera matematiskt är tre arter av bakterier som delar tre plasmider," sa You. "Och även då var vi tvungna att använda ett datorprogram bara för att generera ekvationerna, för annars skulle vi bli för förvirrade med antalet termer som behövdes."

I den nya studien skapade du och hans doktorand, Teng Wang, ett nytt ramverk som kraftigt minskar modellens komplexitet när fler arter och plasmider läggs till. I det traditionella tillvägagångssättet är varje population uppdelad i flera subpopulationer baserat på vilka plasmider de bär på. Men i det nya systemet beräknas dessa delpopulationer istället till en enda. Detta minskar drastiskt antalet variabler, som ökar på ett linjärt sätt när nya bakterier och plasmider läggs till snarare än exponentiellt.

Detta nya tillvägagångssätt gjorde det möjligt för forskarna att härleda ett enda styrande kriterium som gör det möjligt att förutsäga om en plasmid kommer att bestå i en given population. Det är baserat på fem viktiga variabler: kostnaden för bakterierna att ha det nya DNA:t, hur ofta DNA:t går förlorat, hur snabbt populationen späds ut av flödet genom populationen, hur snabbt DNA:t byts ut mellan bakterier och hur snabbt befolkningen som helhet växer.

Med mätningar för dessa variabler i hand kan forskare beräkna populationens "plasmidpersistens". Om det antalet är större än ett, kommer det genetiska paketet att överleva och spridas, med högre antal som leder till större överflöd. Om det är mindre än en, kommer det att försvinna i glömska.

"Även om modellen är förenklad har vi funnit att den är någorlunda exakt under vissa begränsningar," sa Wang. "Så länge det nya DNA:t inte lägger för stor börda på bakterierna kommer vårt nya ramverk att lyckas."

Du och Wang testade deras nya modelleringsmetod genom att konstruera en handfull olika syntetiska samhällen, var och en med olika stammar av bakterier och genetiska paket för att byta. Efter att ha kört experimenten fann de att resultaten passade ganska väl inom förväntningarna på deras teoretiska ram. Och för att gå den extra milen tog forskarna också data från 13 tidigare publicerade tidningar och körde även deras nummer. Dessa resultat stödde också deras nya modell.

"Plasmidpersistenskriteriet ger oss hopp om att använda det för att vägleda nya applikationer," sa You. "Det kan hjälpa forskare att konstruera en mikrobiom genom att kontrollera det genetiska flödet för att uppnå en viss funktion. Eller det kan ge oss vägledning om vilka faktorer vi kan kontrollera för att eliminera eller undertrycka vissa plasmider från bakteriepopulationer, till exempel de som är ansvariga för antibiotikaresistens."

Denna forskning stöddes av National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) och David and 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 

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire