杜克大學生物醫學工程師發現細菌 DNA 的成功秘訣

研究人員希望他們的新模型將為其他人更好地建模和預測重要特徵（例如病原體的抗生素抗藥性或為清潔環境污染而培育的細菌的代謝能力）如何在給定環境中傳播和生長奠定基礎。

研究結果已在線發表於 11 月 4 日的《自然通訊》雜誌。

杜克大學的生物醫學工程師開發了一種新方法，可以模擬稱為質粒的潛在有益 DNA 包如何在包括許多細菌物種的複雜環境中循環和積累。這項工作還使團隊開發了一種被稱為「持久潛力」的新因素，一旦測量和計算，就可以預測質粒是否會在給定群體中繼續繁榮或逐漸消失。

研究人員希望他們的新模型將為其他人更好地建模和預測重要特徵（例如病原體的抗生素抗藥性或為清潔環境污染而培育的細菌的代謝能力）如何在給定環境中傳播和生長奠定基礎。

研究結果已在線發表於 11 月 4 日的《自然通訊》雜誌。

除了達爾文式的將生存重要的基因從父母傳給後代的過程之外，細菌還參與一種稱為水平基因轉移的過程。細菌透過相互交換稱為質粒的不同遺傳物質包，不斷地在物種間共享新能力的遺傳配方。

杜克大學生物醫學工程教授遊令崇 (Lingchong You) 表示：“在對一瓶海水進行檢查時，發現有 160 種細菌交換了 180 種不同的質粒。” 「即使在一瓶水中，使用目前的方法來模擬質粒的移動性也將遠遠超過整個世界的集體運算能力。我們開發了一個系統，可以簡化模型，同時保持其準確預測最終結果的能力。

然而，這些基因包中的任何一種在特定人群或環境中變得普遍的潛力還遠未確定。這取決於多種變量，例如包裹共享的速度、細菌的存活時間、新 DNA 的益處、這些益處的權衡等等。

能夠預測這樣一個基因包的命運可以幫助許多領域——也許最顯著的是抗生素抗藥性的傳播以及如何對抗它。但在逼真的場景中這樣做所需的模型太複雜，無法解決。

「我們能夠進行數學建模的最複雜的系統是共享三個質粒的三種細菌，」尤說。 “即便如此，我們也必須使用計算機程式來生成方程，否則我們會對所需的項數感到非常困惑。”

在這項新研究中，尤和他的研究生騰王創建了一個新的框架，隨著更多物種和質粒的添加，該框架大大降低了模型的複雜性。在傳統方法中，每個群體根據其攜帶的質粒分為多個亞群。但在新系統中，這些亞群被平均為一個亞群。這大大減少了變數的數量，隨著新細菌和質粒的添加，變數的數量呈線性增長，而不是呈指數增長。

這種新方法使研究人員能夠得出單一的控制標準，可以預測質粒是否會在給定群體中持續存在。它基於五個重要變數：細菌獲得新 DNA 的成本、DNA 流失的頻率、菌群被菌叢通量稀釋的速度、DNA 在細菌之間交換的速度以及 DNA 交換的速度。

透過對這些變數的測量，研究人員可以計算群體的「質粒持久性」。如果這個數字大於一，基因包就會存活並傳播，數字越大，豐度越大。如果少於一，它將逐漸被遺忘。

「儘管模型被簡化了，但我們發現它在某些限制下相當準確，」王說。 “只要新的 DNA 不會給細菌帶來太大的負擔，我們的新框架就會成功。”

你和王透過設計一些不同的合成群落來測試他們的新建模方法，每個群落都有不同的細菌菌株和用於交換的基因包。進行實驗後，他們發現結果非常符合他們的理論架構的預期。為了更進一步，研究人員還從 13 篇先前發表的論文中獲取數據併計算了它們的數據。這些結果也支持了他們的新模型。

「質粒持久性標準讓我們有希望用它來指導新的應用，」尤說。 「它可以幫助研究人員透過控制遺傳流來設計微生物組以實現某種功能。或者它可以為我們提供指導，告訴我們可以控制哪些因素來消除或抑制細菌群體中的某些質粒，例如那些導致抗生素抗藥性的質粒。

這項研究得到了美國國立衛生研究院 (R01A1125604、R01GM110494) 和大衛和露西爾·帕卡德基金會的支持。

引用：“可轉移質粒的持久潛力”，Teng Wang 和 Lingchong You。自然通訊，2020 年 11 月 9 日。

(C) 杜克大學 

原文來源： WRAL 技術線