Nueva herramienta revoluciona la detección de la metilación del ADN en bacterias

En todos los seres vivos, el ADN lleva las instrucciones para la vida. Se encuentra en las células de bacterias, plantas y animales. Este ADN puede ser cambiado por diferentes etiquetas químicas conocidas como modificaciones epigenéticas. Uno de los cambios más comunes en bacterias es algo llamado Metilación del ADN. Este proceso ayuda a las bacterias a defenderse de virus.

#Cómo Funciona la Metilación del ADN

La metilación del ADN implica agregar grupos químicos pequeños, llamados grupos metilo, al ADN. Proteínas especiales llamadas Metiltransferasas de ADN (MTasas) hacen esto al encontrar secuencias específicas en el ADN y unir estos grupos. Si una parte del ADN carece de la metilación correcta, puede ser cortada por una proteína diferente llamada enzima de restricción, que forma parte de un sistema que ayuda a la bacteria a protegerse. Esto significa que para que las bacterias sobrevivan, todas las partes de su ADN deben tener los patrones de metilación correctos.

#La Importancia de Identificar la Metilación del ADN

Tradicionalmente, los científicos usaban un método llamado conversión de bisulfito seguido de secuenciación de lectura corta para averiguar dónde estaba ocurriendo la metilación en el ADN. Este método es efectivo, pero no siempre es sencillo. Recientemente, nuevas tecnologías de empresas como Pacific Biosciences (PacBio) y Oxford Nanopore Technologies (ONT) han facilitado la detección de metilación directamente, sin necesidad de preparar el ADN de antemano.

En bacterias, los tipos de metilación más comunes son 5-metilcitosina (5mC), N6-metiladenina (6mA) y N4-metilcitosina (4mC). PacBio fue el primero en mostrar que podía encontrar metilación del ADN directamente, pero tenía problemas para detectar 5mC a menos que el ADN estuviera muy bien cubierto. Por otro lado, en 2023, ONT presentó nuevos modelos que permiten a los científicos ver 5mC y 6mA de manera más precisa, sin necesidad de mucha cobertura de ADN.

#Usando Patrones de Metilación en Metagenómica

La metagenómica es el estudio del ADN de muestras ambientales que contienen muchos tipos diferentes de microorganismos. Los patrones de metilación del ADN pueden ayudar a los científicos a agrupar piezas de ADN similares, verificar la Contaminación y conectar pequeñas piezas de ADN con las bacterias específicas de las que provienen.

Estudios previos han usado patrones de metilación para organizar ADN en estudios metagenómicos. Sin embargo, algunos métodos enfrentaron desafíos debido a la baja sensibilidad para detectar 5mC o requerían amplificar todo el genoma para detectar estos patrones.

Para abordar estas limitaciones, se desarrolló una nueva herramienta llamada Nanomotif. Esta herramienta es rápida, escalable y lo suficientemente sensible como para identificar y usar patrones de metilación en muestras Metagenómicas.

#Características de Nanomotif

Nanomotif puede encontrar nuevos patrones metilados, verificar la contaminación en agrupaciones de ADN y vincular secuencias específicas de ADN con los genes metiltransferasas que las produjeron.

La manera en que funciona Nanomotif es analizando secciones del ADN alrededor de áreas altamente metiladas y buscando patrones en estas regiones. Comienza tomando pequeños segmentos alrededor de estos puntos metilados y busca secuencias comunes. Después de identificar un motivo, puede volver a buscar más patrones en la misma pieza de ADN.

En pruebas, Nanomotif superó a otra herramienta conocida como MicrobeMod. Nanomotif tuvo una alta tasa de éxito en encontrar patrones de ADN, incluso cuando había menos cobertura o menos duplicados de un patrón presente. Podía detectar secuencias específicas con una precisión impresionante.

#Identificando Patrones Metilados en Diferentes Muestras

Al aplicar la herramienta Nanomotif, los investigadores examinaron diez cultivos diferentes de bacterias y encontraron un total de 25 patrones únicos de metilación. Algunos de estos patrones estaban altamente metilados en al menos un tipo de bacteria, confirmando hallazgos previos. Todos los plásmidos, que son pequeñas piezas de ADN dentro de las bacterias, tenían patrones que coincidían con sus bacterias, sugiriendo que la metilación puede ayudar a conectar plásmidos con sus anfitriones bacterianos.

Nanomotif también funciona con mezclas de ADN complejas. Pruebas de cuatro muestras ambientales diferentes mostraron que la mayoría de los segmentos de ADN de alta calidad contenían al menos un patrón identificado, lo que es consistente con estudios anteriores. Esto indica que Nanomotif es efectivo para encontrar patrones de metilación incluso en muestras complicadas.

#Detectando Contaminación y Conectando Piezas de ADN

Uno de los usos interesantes de Nanomotif es identificar contaminación en agrupaciones de ADN. Muchas herramientas actualmente dependen de marcadores de bases de datos genéticos conocidas, que no siempre están completas. Nanomotif usa patrones de metilación para verificar si todas las partes de una agrupación de ADN coinciden. Si hay diferencias, puede sugerir contaminación.

En una aplicación práctica, los investigadores destacaron casos específicos de la muestra de digestor anaeróbico donde detectaron contaminación potencial basada en diferentes patrones de metilación. Este proceso ayudó a señalar muchos contigs, asegurando una mayor precisión en la agrupación del ADN. En algunos casos, limpiar estas contaminaciones mejoró la calidad general de las muestras de ADN bacteriano.

Otra característica útil de Nanomotif es su capacidad para incluir piezas de ADN no agrupadas en agrupaciones existentes. Lo hace emparejando patrones de metilación de piezas no agrupadas con aquellos ya en una agrupación. Este emparejamiento permite a los científicos asociar mejor las piezas de ADN móviles, lo cual puede ser importante para entender cómo funcionan las bacterias y comparten rasgos.

#Vinculando Metilación con Metiltransferasas

Los sistemas genéticos conocidos como sistemas de restricción-modificación (RM) pueden dificultar la introducción de nuevo material genético en las bacterias. Estos sistemas son protectores, pero pueden limitar su uso en la investigación genética. Para mejorar esto, la herramienta Nanomotif incluye una característica que conecta los patrones de metilación con sus metiltransferasas correspondientes y todo el sistema RM.

En pruebas, los investigadores pudieron conectar muchos de los patrones de metilación encontrados con MTasas específicas y algunos sistemas RM completos. Esta conexión es significativa porque puede mejorar la comprensión de cómo funcionan estos sistemas en las bacterias.

#Conclusión

Con Nanomotif, los científicos ahora pueden encontrar y usar fácilmente nuevos patrones de metilación a partir de la secuenciación estándar de ADN, convirtiéndolo en una herramienta valiosa para estudiar materiales genéticos complejos. Al identificar contaminación, asociar piezas genéticas móviles con sus anfitriones y vincular la metilación a sistemas RM, Nanomotif ofrece una variedad de aplicaciones para los investigadores. A medida que mejoran las tecnologías de detección, la importancia y utilidad de Nanomotif probablemente seguirán creciendo.

#Disponibilidad de Datos y Código

Los datos recopilados durante esta investigación están almacenados en una base de datos pública. Además, el código para Nanomotif y herramientas relacionadas también se puede acceder públicamente, permitiendo a otros investigadores reproducir hallazgos y usar la herramienta en sus propios estudios.