Команда дослідників із Rice University виявила раніше невідомі взаємозв’язки між бактеріофагами — вірусами, які заражають бактерії, — та їхніми бактеріальними хазяями. Це відкриття може стати потужним інструментом для створення технологій нового покоління у сфері інженерії мікробіому.

Дослідження, опубліковане в Nature Communications, використовує розроблену в університеті систему РНК-баркодування, яка дозволяє вченим визначати, які саме бактерії отримують генетичний матеріал від бактеріофагів у складних мікробних спільнотах. Завдяки цьому підходу дослідники змогли виявити раніше неописану групу бактеріальних хазяїв для добре вивченого бактеріофага P1, а також дослідити, як незначні зміни у структурі вірусу впливають на те, які мікроорганізми він здатен інфікувати.

«Фаги всюдисущі, і вони відіграють величезну роль у формуванні мікробних спільнот та перенесенні генів між бактеріями», — зазначила авторка дослідження Лорен Стадлер. «Однак визначення того, які саме фаги взаємодіють із якими бактеріями в реальних мікробних екосистемах, довгий час залишалося складним завданням. Наша робота дає масштабований спосіб безпосередньо спостерігати ці взаємодії».

Чому відстежувати фаги так складно?

Бактеріофаги є найчисельнішими біологічними об’єктами на Землі, перевершуючи за кількістю всі інші форми життя. Вони впливають на мікробні екосистеми, знищуючи бактерії, змінюючи їхній метаболізм та переносячи гени між організмами. Вчені дедалі більше зацікавлені у використанні фагів як альтернативи антибіотикам і як інструментів для керування мікробіомом. Однак традиційні методи визначення того, які бактерії може інфікувати конкретний фаг, часто потребують вирощування бактерій у лабораторії, є трудомісткими або не дозволяють відрізнити просте прикріплення вірусу до клітини від успішної передачі ДНК.

Щоб подолати ці обмеження, команда з Райсського університету, до якої також входили Джеймс Чапел та Джонатан Сілберг, адаптувала платформу синтетичної біології під назвою RNA-addressable modification. Спочатку її розробили для відстеження передачі генів між бактеріями шляхом кон’югації.

Система використовує спеціально сконструйований рибозим — молекулу РНК, здатну каталізувати певні біохімічні реакції. Після того, як бактерія отримує ДНК від фага, рибозим вставляє унікальний «штрихкод» у її 16S рибосомальну РНК. Після цього вчені можуть визначити бактерію-реципієнта за допомогою цільового секвенування РНК.

«Замість того, щоб ізолювати кожну взаємодію окремо, ми дозволяємо фагу залишати молекулярний слід у клітинах, до яких він потрапляє», — пояснила Стадлер. «Це дає нам чутливий і високопродуктивний спосіб картувати спектр хазяїв безпосередньо в межах мікробних спільнот».

Перевірка системи у стічних водах

Дослідники вбудували систему баркодування в бактеріофаг P1 — вірус, відомий здатністю переносити ДНК між ентеробактеріями та, ймовірно, сприяти поширенню генів антибіотикорезистентності. Потім вони протестували цей підхід як у лабораторно вирощених мікробних спільнотах, так і у зразках стічних вод, зібраних на очисній станції поблизу Х’юстона.

Експерименти зі стічними водами принесли ще більш несподіваний результат. Серед організмів, які отримували генетичний матеріал від P1, виявилися представники ряду Aeromonadales, зокрема бактерія Aeromonas hydrophila— поширений мешканець стічних вод, який раніше ніколи не розглядався як хазяїн фага P1.

«Виявлення абсолютно нової групи хазяїв у складному природному середовищі демонструє силу цього підходу», — зазначила Стадлер. «Ймовірно, існує багато важливих взаємодій між фагами та бактеріями, які залишаються прихованими лише тому, що ми досі не мали достатньо зручних інструментів для їхнього виявлення».

Як хвостові волокна змінюють спектр хазяїв

Команда також використала нову технологію для дослідження того, як різні хвостові волокна вірусів — білкові структури, за допомогою яких фаги розпізнають і прикріплюються до бактерій, — впливають на спектр хазяїв.

Створивши фагові частинки з альтернативними варіантами хвостових волокон і застосувавши систему РНК-баркодування, дослідники показали, що кожен тип хвостового волокна спрямований на різні групи мікроорганізмів у спільнотах стічних вод.

«Ці експерименти дозволили нам побачити, як відносно невеликі генетичні зміни у фазі можуть кардинально змінювати коло бактерій, з якими він взаємодіє», — сказала Стадлер. «Ця інформація надзвичайно цінна для створення фагів із заданими властивостями — незалежно від того, чи йдеться про доставку корисних генів, чи про вибіркове знищення шкідливих бактерій».

У майбутньому цей метод може прискорити розробку генетично модифікованих бактеріофагів для медицини, екологічного очищення та промислової біотехнології. Оскільки підхід базується на поширених молекулярно-біологічних методах, таких як ампліконне секвенування, а не на трудомісткому культивуванні бактерій, він також може відкрити шлях до масштабних досліджень вірусної екології в найрізноманітніших мікробіомах.