Новый метод выявил части генома бактерии, необходимые для жизни

Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета определили с точностью до нуклеотида, какие части генетического кода необходимы для выживания бактерии Caulobacter crescentus.

Они обнаружили, что 12% генетического материала бактерии являются необходимыми для выживания в лабораторных условиях. К этим элементам относятся не только гены, кодирующие белки, но и регуляторные участки ДНК, а также другие небольшие сегменты ДНК неизвестной функции. Остальные 88% генома можно было нарушить, не повредив способности бактерий к росту и размножению.

Исследование, ставшее возможным благодаря разработке команды нового высокоэффективного метода генетического анализа, открывает путь к лучшему пониманию эволюции бактериальной жизни и улучшению идентификации элементов ДНК, необходимых для многих бактериальных процессов, включая выживание патогенных бактерий в организме инфицированного человека. Работа будет опубликована 30 августа в журнале Molecular Systems Biology.

Учёные изучили непатогенный пресноводный вид, давно используемый в молекулярно-биологических исследованиях. Его полный геном был секвенирован в 2001 году, но знание последовательности нуклеотидов не говорило о том, какие участки ДНК важны для бактерии.

Суть метода

ДНК Caulobacter, как и у большинства бактерий, представляет собой единую кольцевую хромосому. В эксперименте исследователи мутировали множество клеток Caulobacter так, чтобы каждая клетка включила один искусственный фрагмент ДНК в случайное место своей хромосомы. Искусственная ДНК, помеченная для последующего обнаружения, нарушала функцию участка бактериальной ДНК, куда она встраивалась. Учёные вырастили около 1 миллиона таких мутантных клеток, а затем секвенировали их ДНК. После интенсивного компьютерного анализа была создана детальная карта всего бактериального генома, показывающая, куда именно в хромосоме выживших клеток были вставлены искусственные сегменты ДНК.

На этой карте мутаций было много пробелов — участков ДНК, где ни одна живая бактерия не выжила с вставкой искусственной ДНК. Эти регионы, по мнению исследователей, должны быть необходимы для жизни бактерии, поскольку их нарушение предотвращало выживание.

Результаты

Общая длина необходимого для жизни генома Caulobacter составила 492 941 пар оснований. Он включал:

• 480 генов, кодирующих белки, сгруппированных в двух областях хромосомы.
• 402 промоторных региона, регулирующих активность этих генов.
• 130 сегментов ДНК, не кодирующих белки, но играющих другие роли в метаболизме или размножении.

Среди отдельных регионов, идентифицированных как необходимые, 91 представлял собой некодирующие участки неизвестной функции, а 49 — гены, кодирующие белки с неизвестной функцией.

Значение и перспективы

Новый метод значительно ускоряет и упрощает анализ. Он сводит в один эксперимент работу, которая раньше требовала десятков шагов, и переносит основное время исследований с лабораторной работы на анализ данных.

Метод может быть использован для изучения того, какие сегменты ДНК необходимы для выживания бактерий в специфических условиях, например, при инвазии патогенных бактерий в организм хозяина. Разработка полного списка генетических элементов, делающих бактериальный вид инфекционным, может привести к идентификации новых противомикробных агентов, включая новые антибиотики.