Plattform für synthetische Biologie entlarvt versteckte bakterielle Ziele von Bakteriophagen

Ein interdisziplinäres Team von Forschern der Rice University hat bisher unbekannte Beziehungen zwischen Bakteriophagen – Viren, die Bakterien infizieren – und ihren bakteriellen Wirten aufgedeckt und bietet damit ein leistungsstarkes neues Werkzeug für die Mikrobiomtechnik der nächsten Generation.

Veröffentlicht in NaturkommunikationDie Studie nutzt ein von Rice entwickeltes RNA-basiertes Barcodesystem, mit dem Wissenschaftler identifizieren können, welche Bakterien in komplexen mikrobiellen Umgebungen genetisches Material von Bakteriophagen (auch Phagen genannt) erhalten. Der Ansatz ermöglichte es den Forschern, eine bisher nicht beschriebene Gruppe von Bakterienwirten für den gut untersuchten Bakteriophagen P1 zu entdecken und zu untersuchen, wie subtile Veränderungen in der Virusstruktur beeinflussen, welche Mikroben ein Phagen angreifen kann.

„Phagen gibt es überall und sie spielen eine enorme Rolle bei der Bildung mikrobieller Gemeinschaften und der Übertragung von Genen zwischen Bakterien“, sagte die korrespondierende Autorin Lauren Stadler, außerordentliche Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen.

Doch die Identifizierung, welche Phagen mit welchen Wirten in realen mikrobiellen Gemeinschaften interagieren, ist seit langem eine Herausforderung. Diese Arbeit bietet uns eine skalierbare Möglichkeit, diese Wechselwirkungen direkt zu beobachten.“

Lauren Stadler, außerordentliche Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen, Rice University

Phagen sind die am häufigsten vorkommenden biologischen Einheiten auf der Erde und übertreffen alle anderen Lebensformen. Sie beeinflussen mikrobielle Ökosysteme, indem sie Bakterien abtöten, ihren Stoffwechsel verändern und Gene zwischen Organismen übertragen. Wissenschaftler sind zunehmend daran interessiert, Phagen als Alternativen zu Antibiotika und als Werkzeuge für die Entwicklung von Mikrobiomen zu nutzen. Traditionelle Techniken, um zu verstehen, welche Bakterien ein Phagen infizieren kann, erfordern jedoch oft die Kultivierung von Bakterien im Labor, sind arbeitsintensiv oder können nicht zwischen Viren unterscheiden, die sich lediglich an Zellen anheften und erfolgreich DNA übertragen.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, passte das Rice-Team, zu dem unter anderem auch James Chappell, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften, und Jonathan Silberg, Stewart Memorial Professor für Biowissenschaften, gehörten, seine synthetische Biologieplattform an, die als RNA-adressierbare Modifikation bekannt ist. Ursprünglich entwickelt, um den Gentransfer durch bakterielle Konjugation zu verfolgen, verwendet das System ein manipuliertes Ribozym (einen RNA-Strang, der spezifische biochemische Reaktionen katalysieren kann), das einen einzigartigen „Barcode“ in die ribosomale 16S-RNA eines Bakteriums einfügt, nachdem es DNA von einem Phagen erhalten hat. Durch gezielte RNA-Sequenzierung können Forscher dann den Empfängerorganismus identifizieren.

„Anstatt zu versuchen, jede Interaktion einzeln zu isolieren, lassen wir den Phagen eine molekulare Signatur in den Zellen hinterlassen, die er erreicht“, sagte Stadler. „Das gibt uns eine sensible Möglichkeit mit hohem Durchsatz, das Wirtsspektrum direkt innerhalb mikrobieller Gemeinschaften abzubilden.“

Die Forscher bauten das Barcode-System in den Bakteriophagen P1 ein, ein Virus, von dem bekannt ist, dass es DNA zwischen Darmbakterien (Mikroorganismen, die sich hauptsächlich im Darmtrakt von Menschen und Tieren befinden) überträgt und vermutlich zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzgenen beiträgt. Anschließend testeten sie den Ansatz in im Labor gezüchteten Mikrobengemeinschaften und in Abwasser, das aus einer Kläranlage im Raum Houston gesammelt wurde.

Eine noch überraschendere Entdeckung brachten die Abwasserexperimente. Zu den Organismen, die genetisches Material von P1 erhielten, gehörten Mitglieder der Ordnung Aeromonadales, darunter Aeromonas hydrophila, ein häufiges Abwasserbakterium, das noch nie zuvor als P1-Wirt identifiziert wurde.

„Das Auffinden einer völlig neuen Wirtsgruppe in einer komplexen Umweltprobe zeigt die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes“, sagte Stadler. „Es gibt wahrscheinlich viele wichtige Phagen-Wirt-Beziehungen, die einfach deshalb verborgen bleiben, weil wir nicht über die Werkzeuge verfügen, um sie einfach und ohne aufwändige Methoden zu beobachten.“

Das Team nutzte die Technologie auch, um zu untersuchen, wie unterschiedliche virale Schwanzfasern – Proteinstrukturen, die Phagen verwenden, um Bakterien zu erkennen und sich an sie zu binden – die Reichweite des Wirts beeinflussen. Indem die Forscher von Phagen abgeleitete Partikel mit alternativen Schwanzfasern konstruierten und das RNA-Barcoding-System anwendeten, zeigten sie, dass jede Schwanzfaser auf eine bestimmte Gruppe von Mikroben in Abwassergemeinschaften abzielte.

„Durch diese Experimente konnten wir sehen, wie relativ kleine genetische Veränderungen in einem Phagen die Bakterien, mit denen er interagiert, dramatisch verändern können“, sagte Stadler. „Diese Informationen sind unglaublich wertvoll für die Entwicklung von Phagen mit spezifischen Funktionen, unabhängig davon, ob das Ziel darin besteht, nützliche Gene bereitzustellen oder schädliche Bakterien selektiv zu eliminieren.“

In Zukunft könnte diese Methode die Bemühungen zur Entwicklung manipulierter Phagen für die Medizin, Umweltsanierung und industrielle Biotechnologie beschleunigen. Da der Ansatz auf gängigen molekularbiologischen Techniken wie der Amplikonsequenzierung und nicht auf arbeitsintensiven Kultivierungsmethoden beruht, könnte er auch groß angelegte Studien zur Virusökologie in verschiedenen Mikrobiomen ermöglichen.

Die Studie wurde auch von Zachary LaTurner, einem Doktoranden aus Stadlers Labor, der jetzt Postdoktorand am Innovative Genomics Institute der University of California, Berkeley ist, und den Rice-Absolventen Matthew Dysart, Samuel Schwartz und Elizabeth Zeng verfasst. Diese Forschung brachte Wissenschaftler aus Rices Abteilungen für Bau- und Umweltingenieurwesen, Biowissenschaften, Bioingenieurwesen und chemische und biomolekulare Technik sowie aus dem Graduiertenprogramm für System-, synthetische und physikalische Biologie zusammen.

Quellen: