Команда исследователей из Rice University обнаружила ранее неизвестные взаимосвязи между бактериофагами — вирусами, которые заражают бактерии, — и их бактериальными хозяевами. Это открытие может стать мощным инструментом для создания технологий нового поколения в области инженерии микробиома.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, использует разработанную в университете систему РНК-баркодирования, которая позволяет ученым определять, какие именно бактерии получают генетический материал от бактериофагов в сложных микробных сообществах. Благодаря этому подходу исследователям удалось выявить ранее не описанную группу бактериальных хозяев для хорошо изученного бактериофага P1, а также исследовать, как незначительные изменения в структуре вируса влияют на то, какие микроорганизмы он способен инфицировать.

«Фаги повсюду, и они играют огромную роль в формировании микробных сообществ и переносе генов между бактериями», — отметила автор исследования Лорен Стадлер. «Однако определение того, какие именно фаги взаимодействуют с какими бактериями в реальных микробных экосистемах, долгое время оставалось сложной задачей. Наша работа дает масштабируемый способ непосредственно наблюдать эти взаимодействия».

ПОЧЕМУ ОТСЛЕЖИВАТЬ ФАГИ ТАК СЛОЖНО?

Бактериофаги являются самыми многочисленными биологическими объектами на Земле, превосходя по численности все остальные формы жизни. Они влияют на микробные экосистемы, уничтожая бактерии, изменяя их метаболизм и перенося гены между организмами. Ученые все больше интересуются использованием фагов в качестве альтернативы антибиотикам и инструментов для управления микробиомом. Однако традиционные методы определения того, какие бактерии может инфицировать конкретный фаг, часто требуют выращивания бактерий в лаборатории, являются трудоемкими или не позволяют отличить простое прикрепление вируса к клетке от успешной передачи ДНК.

Чтобы преодолеть эти ограничения, команда из Rice University, в которую также входили Джеймс Чаппелл и Джонатан Силберг, адаптировала платформу синтетической биологии под названием RNA-addressable modification. Изначально она была разработана для отслеживания передачи генов между бактериями путем конъюгации.

Система использует специально сконструированный рибозим — молекулу РНК, способную катализировать определенные биохимические реакции. После того как бактерия получает ДНК от фага, рибозим вставляет уникальный «штрихкод» в ее 16S рибосомальную РНК. После этого ученые могут определить бактерию-реципиента с помощью целевого секвенирования РНК.

«Вместо того чтобы изолировать каждое взаимодействие по отдельности, мы позволяем фагу оставлять молекулярный след в клетках, которых он достигает», — объяснила Стадлер. «Это дает нам чувствительный и высокопроизводительный способ картирования спектра хозяев непосредственно в микробных сообществах».

ПРОВЕРКА СИСТЕМЫ В СТОЧНЫХ ВОДАХ

Исследователи встроили систему баркодирования в бактериофаг P1 — вирус, известный способностью переносить ДНК между энтеробактериями и, вероятно, способствовать распространению генов антибиотикорезистентности. Затем они протестировали этот подход как в лабораторно выращенных микробных сообществах, так и в образцах сточных вод, собранных на очистной станции в районе Хьюстона.

Эксперименты со сточными водами принесли еще более неожиданный результат. Среди организмов, получавших генетический материал от P1, оказались представители порядка Aeromonadales, в том числе бактерия Aeromonas hydrophila — распространенный обитатель сточных вод, который ранее никогда не рассматривался как хозяин фага P1.

«Обнаружение совершенно новой группы хозяев в сложной природной среде демонстрирует силу этого подхода», — отметила Стадлер. «Вероятно, существует множество важных взаимодействий между фагами и бактериями, которые остаются скрытыми лишь потому, что у нас до сих пор не было достаточно удобных инструментов для их выявления».

КАК ХВОСТОВЫЕ ВОЛОКНА ИЗМЕНЯЮТ СПЕКТР ХОЗЯЕВ

Команда также использовала новую технологию для исследования того, как различные хвостовые волокна вирусов — белковые структуры, с помощью которых фаги распознают и прикрепляются к бактериям, — влияют на спектр хозяев.

Создав фаговые частицы с альтернативными вариантами хвостовых волокон и применив систему РНК-баркодирования, исследователи показали, что каждый тип хвостового волокна нацелен на разные группы микроорганизмов в сообществах сточных вод.

«Эти эксперименты позволили нам увидеть, как относительно небольшие генетические изменения в фаге могут кардинально изменить круг бактерий, с которыми он взаимодействует», — сказала Стадлер. «Эта информация чрезвычайно ценна для создания фагов с заданными свойствами — независимо от того, идет ли речь о доставке полезных генов или о селективном уничтожении вредных бактерий».

В будущем этот метод может ускорить разработку генетически модифицированных бактериофагов для медицины, экологической очистки и промышленной биотехнологии. Поскольку подход основан на распространенных молекулярно-биологических методах, таких как ампликонное секвенирование, а не на трудоемком культивировании бактерий, он также может открыть путь к масштабным исследованиям вирусной экологии в самых разнообразных микробиомах.