Учёные нашли ключ к предсказанию успеха бактериальных плазмид
Биомедицинские инженеры из Университета Дьюка разработали новый метод моделирования того, как потенциально полезные пакеты ДНК, называемые плазмидами, могут циркулировать и накапливаться в сложной среде, включающей множество видов бактерий. Работа также позволила команде ввести новый параметр — «потенциал персистенции», который после измерения и вычисления может предсказать, будет ли плазмида процветать в данной популяции или постепенно исчезнет.
Исследователи надеются, что их новая модель заложит основу для более точного моделирования и прогнозирования распространения важных признаков, таких как устойчивость к антибиотикам у патогенов или метаболические способности у бактерий, используемых для очистки окружающей среды.
Результаты опубликованы онлайн 4 ноября в журнале Nature Communications.
Помимо дарвиновского процесса передачи генов от родителей к потомству, бактерии участвуют в горизонтальном переносе генов. Они постоянно обмениваются между видами генетическими «рецептами» новых способностей, передавая друг другу различные пакеты генетического материала — плазмиды.
«В одной бутылке морской воды мы обнаружили 160 видов бактерий, обменивающихся 180 различными плазмидами», — сообщил Линчон Ю, профессор биомедицинской инженерии в Дьюке. «Даже для одной бутылки воды моделирование мобильности плазмид существующими методами потребовало бы вычислительных мощностей, превышающих совокупные мощности всего мира. Мы разработали систему, которая упрощает модель, сохраняя её способность точно предсказывать конечный результат».
Однако потенциал любого из этих генетических пакетов стать распространённым в данной популяции или среде далеко не определён. Он зависит от множества переменных: скорости обмена, выживаемости бактерий, пользы новой ДНК, компромиссов за эти преимущества и многого другого.
Возможность предсказать судьбу такого генетического пакета могла бы помочь во многих областях, особенно в борьбе с распространением устойчивости к антибиотикам. Но модели, необходимые для этого в реалистичном сценарии, слишком сложны для решения.
«Самая сложная система, которую мы когда-либо могли смоделировать математически, — это три вида бактерий, обменивающихся тремя плазмидами», — сказал Ю. «И даже тогда нам пришлось использовать компьютерную программу просто для генерации уравнений, иначе мы запутались бы в количестве необходимых членов».
В новом исследовании Ю и его аспирант Тэн Ван создали новую структуру, которая значительно снижает сложность модели по мере добавления новых видов и плазмид. В традиционном подходе каждая популяция делится на множество субпопуляций в зависимости от того, какие плазмиды они несут. Но в новой системе эти субпопуляции усредняются в одну. Это резко сокращает количество переменных, которые увеличиваются линейно, а не экспоненциально, с добавлением новых бактерий и плазмид.
Этот новый подход позволил исследователям вывести единый управляющий критерий, позволяющий предсказать, будет ли плазмида сохраняться в данной популяции. Он основан на пяти важных переменных:
- Цена для бактерии от наличия новой ДНК.
- Частота потери этой ДНК.
- Скорость разбавления популяции потоком через неё.
- Скорость обмена ДНК между бактериями.
- Скорость роста популяции в целом.
Имея измерения этих переменных, исследователи могут рассчитать «персистенцию плазмиды» для популяции. Если это число больше единицы, генетический пакет выживет и распространится, причём более высокие числа приведут к большему обилию. Если меньше единицы — он исчезнет.
«Несмотря на упрощение модели, мы обнаружили, что она достаточно точна при определённых ограничениях», — сказал Ван. «Пока новая ДНК не создаёт слишком большого бремени для бактерий, наша новая структура будет работать».
Ю и Ван протестировали свой новый подход к моделированию, создав несколько различных синтетических сообществ, каждое с разными штаммами бактерий и генетическими пакетами для обмена. После проведения экспериментов они обнаружили, что результаты хорошо соответствуют ожиданиям их теоретической структуры. Кроме того, исследователи взяли данные из 13 ранее опубликованных статей и также проверили свои расчёты. Эти результаты также подтвердили их новую модель.
«Критерий персистенции плазмиды даёт нам надежду на его использование для разработки новых приложений», — сказал Ю. «Он может помочь исследователям сконструировать микробиом, контролируя генетический поток для достижения определённой функции. Или он может дать нам рекомендации о том, какие факторы мы можем контролировать, чтобы устранить или подавить определённые плазмиды в бактериальных популяциях, например, ответственные за устойчивость к антибиотикам».