研究人员重新组装质粒以在不同的环境微生物组中传递基因

微生物组工程处于改善人类健康和农业生产力的前沿。它旨在通过改变微生物组成来增强生态系统功能。这可以通过“自下而上”的方法来实现，该方法涉及将工程微生物引入社区。

然而，现有物种的抵抗阻碍了新成员的建立。相反，最好使用“自上而下”的方法传递外来遗传物质，该方法涉及微生物之间的水平基因转移(HGT)。这里的主要目标是创建有效的系统，用于在复杂的微生物群落中传播工程DNA。

HGT过程包括结合、转化和转导。1969年发现的质粒(小的染色体外DNA)RP4(也称为RK2)携带的结合系统是在革兰氏阳性菌和阴性菌中转移DNA的成熟模型。此外，科学家们现在愿意在广泛的微生物中扩展基于RP4质粒的微生物组工程的工具箱。

为此，位于马德里的西班牙国家生物技术中心的一个研究小组重新组装了质粒RP4，以创建一个可以在不同微生物群落中传播基因编码特征的载体。

研究人员修改了RP4的功能成分以创建“pMATING”，这是一种系统的自传播质粒载体。该研究由VictordeLorenzo教授及其同事TomásAparicio、JillianSilbert和SherezadeCepeda领导的团队发表在BioDesignResearch上。“我们研究的最终结果是针对天然微生物群落中的基因传递和循环进行了优化的工具集，”洛伦佐教授说。

该团队首先设置了交配实验，以测试pMATING在两种不同的革兰氏阴性菌中的表现，即大肠杆菌和恶臭假单胞菌EM42。凭借高转移效率，pMATING可以成功地从大肠杆菌转移到恶臭假单胞菌，反之亦然。

考虑到这一发现，研究人员进行了另外两项结合测试，将DNA从大肠杆菌转移到革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌和酿酒酵母中。他们惊讶地发现pMATING可以将DNA转移给两个接受者，表明从细菌到真菌的“跨界结合”，这个概念在其他地方很少被报道。

然后，研究人员调查了他们新创建的质粒是否可以传播到不同的细菌物种。从西班牙两个不同地点采集的土壤样本中分离出独立的微生物库，并使用绿色荧光标签跟踪pMATING转移。除了少数，这些分离株中的大多数都能够成功地接收DNA。

这种转移也在覆盖有恶臭假单胞菌供体细菌的实验室外天然土壤样本中得到验证。这些结果似乎解决了将HGT应用于生活在自然环境中的细菌的一个主要问题。

虽然该研究回答了有关跨细菌群落的载体转移的大多数问题，但最大的未知数是接受者是否在接受质粒后成为捐赠者。“pMATING确实允许细菌将质粒传递给其他细菌。但是，情况并非总是如此。这并不是因为接受者无法接受外来DNA。相反，一些捐赠者可能不愿意提供他们的DNA对其他物种，”洛伦佐教授解释道。

虽然之前的研究已经报道了各种微生物之间的结合转移，但pMATING是第一个跨环境微生物组传递基因的研究。Lorenzo教授总结道：“pMATING2体积相对较小且易于使用，可以成为跨复杂细菌群落进行基因流动的绝佳工具。受其启发的未来载体将有助于促进医药、环境和工业领域的目标微生物生态位应用程序。”