Vpliv bakterijskega antagonizma na horizontalni genski transfer in evolucijo B. subtilis

Znanstvena izhodišča: Naravna genetska transformacija je sposobnost bakterij, da privzamejo zunajcelično DNK in jo integrirajo v svoj genom. Transformacija ima pomemben vpliv na prilagoditev in evolucijo bakterij, kljub obstoječim mehanizmom, ki preprečujejo ali zmanjšujejo uspešno integracijo DNK kot je spolna izolacija, pri kateri se frekvenca transformacije dramatično zmanjša z večanjem razlik v zaporedju donorske in prejemnikove DNA. Vendar pa nedavne ugotovitve kažejo, da lahko antagonizem znotraj vrste spodbuja pretok antibiotičnih rezistenc in diverzifikacijo genskega materiala. Opis problema: Sorodstvenego razlikovanje (SR) je proces, v katerem bakterije prepoznajo manj sorodne seve, jih pobijejo in privzamejo njihovo DNA. To lahko vodi v večjo diverzifikacijo genomov znotraj vrste. Predlagani projekt se bo osredotočil na vprašanje kako bakterijske interakcije v povezavi z njihovo sorodnostjo vplivajo na prenos genov in evolucijo B. subtilis in sorodnih vrst? Cilji raziskave: Cilj projekta je ugotoviti, kako SR vpliva na horizontalni prenos genov znotraj vrste B. subtilis in med sorodnimi Bacillus vrstami in ugotoviti, kako se porazdelitev genov za SR ujema s filogenetsko razdaljo sevov. Nadalje bomo preizkusili, ali SR preglasi mehanizme, ki zmanjšujejo uspešno integracijo (spolno izolacijo) med bakterijskimi interakcijami in preizkusili, pri kateri sorodnosti je prenos DNK med dvema bakterijama najvišji. Poleg tega bomo izvedli poskuse eksperimentalne evolucije in preizkusili, ali povečan prenos DNK med nesorodnimi sevi spodbuja nastanek novih tipov SR in določili katere genetske spremembe privedejo do nastanka novih vrst SR. Izvirnost rezultatov: Za nekatere mikrobne vrste je bilo ugotovljeno, da so sposobne SR na podlagi specifičnih genov (npr. toksinov), vendar je pri bakterijah zelo malo dokazov o SR ki bi temeljili na filogenetski sorodnosti, še manj pa so poznane posledice takšnih interakcij. Antagonizem pri bakteriji B. subtilis, ki se kaže v povečani izmenjavi DNK, najverjetneje vpliva na diverzifikacijo genoma, vendar ta hipoteza do sedaj še ni bila testirana. Predlagani projekt je zato zelo izviren, saj obravnava do sedaj neodkrit evolucijski mehanizem, ki temelji na diverzifikaciji kot direktni posledici bakterijskega antagonizma. To odkritje bi lahko mnogim znanstvenikom omogočilo opazovanje diverzifikacije pri drugih bakterijskih vrstah, še posebej v medicini, kjer predstavljajo na antibiotike odporne bakterije zelo veliko grožnjo in prav tak mehanizem bi lahko pospešil nastanek novih superrezistentnih bakterij. Metode: na voljo imamo 40 naravnih sevov B. subtilis iz 1 cm3 vzorca zemlje in cca 500 genomov iz baze podatkov NCBI, ki jih bomo med seboj primerjali. Izvedli bomo dodatno sekvenciranje genomov in bioinformatične analize za primerjavo genomov. In vitro evolucija bo izvedena na poltrdnih agarskih ploščah, metodologijo separacije evolviranih sevov s celičnim sorterjem od starševskih pa bomo razvili. Na novo razvite seve bomo sekvencirali in izvedli bioinformatske analize, da bi našli genske spremembe, ki vodijo do novih vrst SR. Potencial in relevantnost rezultatov: Le nekaj mikrobnih vrst lahko loči sorodnike od nesorodnikov in to smo za vrsto B. subtilis prvi ugotovili v naši skupini. Predlagani projekt je zelo izviren in pridobljeno znanje bo 1) podprlo razvoj orodij za bioinformatiko za odkrivanje in napovedovanje novih vrst SR 2) omogočilo globlje razumevanje vloge SR na evolucijo te vrste 3) razkrilo potencialni vpliv tega pojava na ekologijo in socialnost te vrste, in 4) izboljšalo razumevanja med-in znotraj vrstnega prenosa genov kot posledice bakterijskih interakcij. Rezultati bodo novi in navdušujoči, nova odkritja bomo lahko objavili v uglednih znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva, kar bo močno doprineslo k mednarodni prepoznavnosti vseh sodelujočih raziskovalnih skupin.