Una nueva técnica para escanear patrones de expresión de genes espaciales microbianos

¿Qué haces en diferentes momentos del día? ¿que comes? ¿Cómo interactúas con tus vecinos? Estas son algunas de las preguntas que los biólogos quieren hacer a las comunidades microbianas, desde las que viven en entornos hostiles en las profundidades del océano hasta las que causan infecciones crónicas en los seres humanos. Ahora, una nueva tecnología desarrollada en Caltech puede responder a estas preguntas escaneando la expresión génica en una población de millones de células bacterianas mientras se mantienen las posiciones de las células entre sí.

Esta tecnología se puede utilizar para comprender la amplia gama de comunidades microbianas en nuestro planeta, incluidos los microbios que viven dentro de nuestro intestino y afectan nuestra salud, así como los que colonizan las raíces de las plantas y contribuyen a la salud del suelo, por nombrar algunos.

La tecnología fue desarrollada en Caltech por Daniel Dar, un ex investigador postdoctoral en el Laboratorio Diane Newman, Gordon M. Bender / Amgen Profesor de Biología y Biología y Director Ejecutivo de Biología e Ingeniería Biológica, y la Dra. Nina Dar, una ex médica. Técnico Superior de Investigación en el Laboratorio de Long Kai, Profesor de Biología e Ingeniería Biológica. Daniel Dar es ahora profesor asistente en el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel. Un artículo que describe la investigación se publicó el 12 de agosto en la revista Ciencias.

No podemos preguntarle a las bacterias qué hacen o cómo se sienten, pero podemos mirar los genes que expresan. La expresión genética es la base de cualquier comportamiento o acción que pueda realizar un microbio. Por ejemplo, si hay una falta de alimento en el ambiente de las bacterias, el microbio puede activar un conjunto de genes que lo ayudarán a conservar energía y restaurar genes menos importantes, como los involucrados en la reproducción. Aunque dos tipos de bacterias de la misma especie pueden tener la misma información genética, los genes pueden activarse y desactivarse en diferentes situaciones, lo que da como resultado comportamientos diferentes a nivel de bacterias individuales.

«Los métodos tradicionales de medición de la expresión génica tienden a reducir toda la población, con toda su complejidad y organización tridimensional, a un solo dígito», dice Daniel Dar. “Imagina que tomas una bandeja de frutas con colores, sabores y aromas únicos y tienes que mezclarlas todas en un solo jugo. Se pierde toda identidad. El significado de esta limitación tecnológica de la investigación microbiológica, tanto en medicina como en ciencias ambientales, es que las firmas biológicas que aparecen a nivel microscópico, la escala a la que viven los microorganismos, permanecen en su mayoría invisibles. Este fue un gran impulso para nosotros a lo largo de este estudio colaborativo: aprovechar la tecnología revolucionaria desarrollada por primera vez en el laboratorio de Kay para exponer la complejidad de poblaciones microbianas de una forma completamente nueva «.

La nueva técnica, llamada par-seqFISH (para la hibridación in situ de fluorescencia paralela y secuencial), puede rastrear estas diferencias de expresión génica con alta precisión. En este estudio, se utilizó par-seqFISH para examinar la expresión génica en poblaciones de Pseudomonas aeruginosa, un patógeno que a menudo causa infecciones (como las que se encuentran en los pulmones de personas con fibrosis quística o dentro de heridas cutáneas crónicas) y se estudió ampliamente en el laboratorio de Newman. par-seqFISH se puede utilizar en casi cualquier tipo de bacteria cuyos genomas hayan sido secuenciados y en comunidades microbianas compuestas por diferentes especies.

par-seqFISH es preciso al nivel submicrométrico y puede mostrar diferencias en la expresión génica incluso dentro de células individuales. Por ejemplo, el equipo descubrió que ciertos genes se pueden expresar más en los polos de la célula que cerca del centro. Esta técnica preserva la organización espacial de las bacterias o sus posiciones entre sí. Debido al nivel de precisión, reveló una gran diversidad de expresión génica y la actividad resultante de individuos de un grupo del mismo tipo de bacterias.

La capacidad del método para obtener imágenes a este nivel de detalle lo convierte en una técnica poderosa para la investigación en biología celular.

«Hemos visto patrones en los que ciertos genes se expresan espacialmente, en el espacio y en el tiempo, de formas que no pudimos predecir, lo que sugiere nuevas ideas sobre cómo funciona la población en su conjunto», dice Newman. «La heterogeneidad de conjuntos y comunidades bacterianas a escalas espaciales del orden de unos pocos micrómetros es muy importante y subestimada. Lo profundo que tiene esta técnica en el hogar es que el contexto es importante. Cada célula experimenta un microambiente ligeramente diferente; por ejemplo, cómo indica Tener demasiado oxígeno alrededor de una célula en particular depende del tipo de metabolismo en el que estará involucrada la célula. Es necesario apreciar el rango completo de dicha variabilidad si queremos ser capaces de lidiar con estas comunidades, como ser capaz de tratar infecciones bacterianas crónicas. Todo lo que hagan los miembros de la comunidad ayudará a dirigir estrategias de tratamiento más efectivas «.

seqFISH, la técnica inicial para par-seqFISH, fue pionera en el laboratorio de Cai.

«Cada vez que miramos un sistema biológico que tiene tanto contexto espacial como información genómica, encontramos una nueva biología interesante», dice Kay. «Las comunidades microbianas, con su rica diversidad, nos muestran una vez más lo hermosa y compleja que es la biología cuando miramos a través del lente de la genómica espacial».

Newman, presidente y supervisor de la facultad de la Iniciativa de Ingeniería de Biosfera y Medio Ambiente en el Instituto de Sostenibilidad Resnick de Caltech (RSI), prevé que la tecnología estará disponible para los investigadores de Caltech para su uso a través de RSI, ayudando a los estudios de microbios en diversos entornos, desde el suelo alrededor de las raíces de las plantas. (llamados rizomas) en sedimentos de aguas profundas.

El título del artículo es «Transcripción espacial de plancton y bacterias sésiles en resolución unicelular». Daniel Dar, Nina Dar, Kay y Neumann son los autores del estudio. Los fondos fueron proporcionados por los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación del Ejército, el Grupo Allen Frontiers, la Fundación Rothschild, la Organización Europea de Biología Molecular, una Beca Postdoctoral Helen Hay Whitney y el Departamento de Geociencias y Planetarios de Caltech. Tsai es miembro asociado de la facultad del Instituto Tianqiao y Chrissy Chen de Neurociencia en el Instituto de Tecnología de California.