Nova ferramenta revoluciona a detecção de metilação de DNA em bactérias

Em todos os seres vivos, o DNA carrega as instruções para a vida. Ele está presente nas células de bactérias, plantas e animais. Esse DNA pode ser alterado por diferentes marcas químicas conhecidas como modificações epigenéticas. Uma das mudanças mais comuns em bactérias é algo chamado Metilação do DNA. Esse processo ajuda as bactérias a se defenderem contra vírus.

#Como Funciona a Metilação do DNA

A metilação do DNA envolve adicionar pequenos grupos químicos, chamados grupos metila, ao DNA. Proteínas especiais chamadas Metiltransferases do DNA (MTases) fazem isso encontrando sequências específicas no DNA e anexando esses grupos. Se uma parte do DNA não tiver a metilação certa, ela pode ser cortada por uma proteína diferente chamada enzima de restrição, que faz parte de um sistema que ajuda a bactéria a se proteger. Isso significa que, para as bactérias sobreviverem, todas as partes do seu DNA precisam ter os padrões de metilação corretos.

#A Importância de Identificar a Metilação do DNA

Tradicionalmente, os cientistas usavam um método chamado conversão de bisulfito seguido de sequenciamento de leitura curta para descobrir onde a metilação estava acontecendo no DNA. Esse método é eficaz, mas nem sempre é simples. Recentemente, novas tecnologias de empresas como Pacific Biosciences (PacBio) e Oxford Nanopore Technologies (ONT) tornaram mais fácil detectar a metilação diretamente, sem precisar preparar o DNA antes.

Nas bactérias, os tipos mais comuns de metilação são 5-metilcitosina (5mC), N6-metiladenina (6mA) e N4-metilcitosina (4mC). A PacBio foi a primeira a mostrar que conseguia encontrar a metilação do DNA diretamente, mas teve dificuldades em detectar 5mC, a menos que o DNA estivesse bem coberto. Por outro lado, em 2023, a ONT apresentou novos modelos que permitem que os cientistas vejam 5mC e 6mA com mais precisão, sem precisar de muita cobertura de DNA.

#Usando Padrões de Metilação em Metagenômica

A metagenômica é o estudo de DNA de amostras ambientais que contêm muitos tipos diferentes de microrganismos. Padrões de metilação do DNA podem ajudar os cientistas a agrupar pedaços semelhantes de DNA, verificar Contaminação e conectar pequenos pedaços de DNA às bactérias específicas de onde vieram.

Estudos anteriores usaram padrões de metilação para organizar DNA em estudos metagenômicos. No entanto, alguns métodos enfrentaram desafios devido à baixa sensibilidade em detectar 5mC ou precisavam amplificar todo o genoma para identificar esses padrões.

Para resolver essas limitações, uma nova ferramenta chamada Nanomotif foi desenvolvida. Essa ferramenta é rápida, escalável e sensível o suficiente para identificar e usar padrões de metilação em amostras Metagenômicas.

#Recursos do Nanomotif

O Nanomotif pode encontrar novos padrões metilados, verificar contaminação em agrupamentos de DNA e vincular sequências de DNA específicas aos genes metiltransferases que as produziram.

A forma como o Nanomotif funciona é analisando seções do DNA em torno de áreas altamente metiladas e buscando padrões nessas regiões. Ele começa pegando pequenos segmentos ao redor desses pontos metilados e procura sequências comuns. Depois de identificar um motivo, ele pode voltar e procurar mais padrões na mesma peça de DNA.

Em testes, o Nanomotif superou outra ferramenta conhecida como MicrobeMod. O Nanomotif teve uma alta taxa de sucesso em encontrar padrões de DNA, mesmo quando havia menos cobertura ou menos duplicatas de um padrão presente. Ele conseguiu detectar sequências específicas com uma precisão incrível.

#Identificando Padrões Metilados em Diferentes Amostras

Usando a ferramenta Nanomotif, os pesquisadores analisaram dez culturas diferentes de bactérias e encontraram um total de 25 padrões únicos de metilação. Alguns desses padrões estavam altamente metilados em pelo menos um tipo de bactéria, confirmando descobertas anteriores. Todos os plasmídeos, que são pequenos pedaços de DNA dentro das bactérias, tinham padrões que combinavam com suas bactérias, sugerindo que a metilação pode ajudar a conectar plasmídeos aos seus hospedeiros bacterianos.

O Nanomotif também funciona com misturas complexas de DNA. Testes de quatro amostras ambientais diferentes mostraram que a maioria dos segmentos de DNA de alta qualidade continha pelo menos um padrão identificado, o que é consistente com estudos anteriores. Isso indica que o Nanomotif é eficaz em encontrar padrões de metilação mesmo em amostras complicadas.

#Detectando Contaminação e Conectando Pedaços de DNA

Um dos usos interessantes do Nanomotif é identificar contaminação em agrupamentos de DNA. Muitas ferramentas atualmente dependem de marcadores de bancos de dados genéticos conhecidos, que nem sempre são completos. O Nanomotif usa padrões de metilação para verificar se todas as partes de um agrupamento de DNA combinam. Se houver diferenças, isso pode sugerir contaminação.

Na aplicação prática, os pesquisadores destacaram casos específicos da amostra do digestor anaeróbico onde detectaram contaminação potencial com base em diferentes padrões de metilação. Esse processo ajudou a sinalizar muitos contigs, garantindo maior precisão na agrupamento de DNA. Em alguns casos, limpar essas contaminações melhorou a qualidade geral das amostras de DNA bacteriano.

Outro recurso útil do Nanomotif é a sua capacidade de incluir pedaços de DNA não agrupados em agrupamentos existentes. Ele faz isso combinando padrões de metilação de pedaços não agrupados com aqueles que já estão em um agrupamento. Essa combinação permite que os cientistas associem melhor pedaços de DNA móveis, o que pode ser importante para entender como as bactérias funcionam e compartilham características.

#Ligando Metilação a Metiltransferases

Sistemas genéticos conhecidos como sistemas de restrição-modificação (RM) podem dificultar a introdução de novo material genético nas bactérias. Esses sistemas são protetores, mas podem limitar seu uso em pesquisa genética. Para melhorar isso, a ferramenta Nanomotif inclui um recurso que conecta padrões de metilação às suas metiltransferases correspondentes e a todo o sistema RM.

Em testes, os pesquisadores puderam conectar muitos dos padrões de metilação encontrados a MTases específicas e alguns sistemas RM completos. Essa conexão é significativa porque pode aprimorar a compreensão de como esses sistemas funcionam nas bactérias.

#Conclusão

Com o Nanomotif, os cientistas podem agora encontrar e usar facilmente novos padrões de metilação a partir do sequenciamento padrão de DNA, tornando-se uma ferramenta valiosa para estudar materiais genéticos complexos. Ao identificar contaminação, associar pedaços genéticos móveis a seus hospedeiros e ligar metilação a sistemas RM, o Nanomotif oferece uma variedade de aplicações para pesquisadores. À medida que as tecnologias de detecção melhoram, a importância e a utilidade do Nanomotif provavelmente continuarão a crescer.

#Disponibilidade de Dados e Código

Os dados coletados durante essa pesquisa estão armazenados em um banco de dados público. Além disso, o código do Nanomotif e de ferramentas relacionadas também pode ser acessado publicamente, permitindo que outros pesquisadores reproduzam descobertas e usem a ferramenta em seus próprios estudos.