Гены наследуются не только от рождения. Бактерии обладают способностью передавать гены друг другу или забирать их из окружающей среды посредством процесса, называемого горизонтальным переносом генов, который является основным виновником распространения устойчивости к антибиотикам.

Исследователи из Корнелла использовали машинное обучение для сортировки организмов по их функциям и использовали эту информацию для прогнозирования с почти идеальной точностью того, как гены передаются между ними, – подход, который потенциально может быть использован для остановки распространения устойчивости к антибиотикам.

Статья группы «Функции предсказания горизонтального переноса генов и появление устойчивости к антибиотикам» опубликована 22 октября в Science Advances . Ведущий автор – докторант Хао Чжоу.

Организмы в основном могут приобретать гены устойчивости от других организмов. И поэтому было бы полезно, если бы мы знали, с какими организмами бактерии обмениваются, и не только, но мы могли бы выяснить, каковы движущие факторы, которые вовлекают организмы в этот перенос. Если мы сможем выяснить, кто с кем обменивается генами, то, возможно, это даст представление о том, как это на самом деле происходит, и, возможно, даже сможет контролировать эти процессы »

Илана Брито, доцент и научный сотрудник факультета биомедицинской инженерии в Инженерном колледже, работающий на факультете семейной биомедицины Монг за полугодие, и старший автор статьи

Многие новые черты передаются через перенос генов. Но ученые не смогли определить, почему одни бактерии участвуют в переносе генов, а другие – нет.

Вместо того, чтобы проверять отдельные гипотезы, команда Брито изучила геномы бактерий и их различные функции, которые могут варьироваться от репликации ДНК до метаболизма углеводов, чтобы определить сигнатуры, указывающие на то, «кто» обменивался генами и что движет этими сетями обмен.

Команда Брито использовала несколько моделей машинного обучения, каждая из которых выявляла различные явления, встроенные в данные. Это позволило им идентифицировать несколько сетей разных генов устойчивости к антибиотикам и среди штаммов одного и того же организма.

Для исследования исследователи сосредоточились на организмах, связанных с почвой, растениями и океанами, но их модель также хорошо подходит для изучения связанных с человеком организмов и патогенов, таких как Acinetobacter baumannii и E. coli и в локальных средах, таких как микробиом кишечника человека.

Они обнаружили, что модели машинного обучения были особенно эффективны при применении к генам устойчивости к антибиотикам.

«Я думаю, что одним из важных выводов здесь является то, что сеть обмена бактериальными генами – особенно в отношении устойчивости к антибиотикам – предсказуема», – сказал Брито. «Мы можем понять это, глядя на данные, и мы можем добиться большего, если действительно посмотрим на геном каждого организма. Это не случайный процесс»

Одним из самых удивительных открытий было то, что моделирование предсказало множество возможных передач устойчивости к антибиотикам между связанными с человеком бактериями и патогенами, которые еще не наблюдались. Эти вероятные, но необнаруженные события переноса были почти исключительно связаны с бактериями, ассоциированными с человеком, в микробиоме кишечника или микробиоме полости рта.

По словам Брито, члена руководящего комитета центра, это исследование является символом недавно открытого Корнельского центра устойчивости к противомикробным препаратам.

«Можно представить, что, если мы сможем предсказать, как распространяются эти гены, мы сможем либо вмешаться, либо выбрать конкретный антибиотик, в зависимости от того, что мы видим в кишечнике пациента», – сказал Брито. «В более широком смысле, мы можем увидеть, где, по прогнозам, определенные типы организмов будут переноситься с другими в определенной среде. И мы думаем, что в данных могут быть новые мишени для антибиотиков. Например, гены, которые могут нанести вред этим организмам, потенциально, с точки зрения об их способности сохраняться в определенных условиях или приобретать эти гены »