Патогенные бактерии у людей вырабатывают устойчивость к антибиотикам намного быстрее, чем ожидалось. Вычислительные исследования в Технологическом университете Чалмерса, Швеция, показывают, что одной из причин может быть значительная генетическая передача между бактериями в наших экосистемах и людям. Эта работа также привела к созданию новых инструментов для исследователей сопротивления.

По данным Всемирной организации здравоохранения, устойчивость к антибиотикам является одной из величайших угроз для глобального здоровья, безопасности пищевых продуктов и развития. Только в Европе он уже вызывает более 33 000 смертей в год.

Совершенно разные виды бактерий могут передавать друг другу гены устойчивости через плазмиды – небольшие молекулы ДНК, в которых бактерии хранят некоторые из своих генов вне хромосомы. Когда две бактериальные клетки вступают в контакт, они могут копировать плазмиды друг в друга. Это называется конъюгацией, и это наиболее важный механизм распространения устойчивости к антибиотикам.

«В последние годы мы увидели, что гены устойчивости распространяются на патогены человека в гораздо большей степени, чем кто-либо ожидал», – говорит Ян Зримек, исследователь систем и синтетической биологии из Технологического университета Чалмерса. «Многие гены, по-видимому, произошли от самых разных видов бактерий и сред, таких как почва, вода и растительные бактерии.

«Это было трудно объяснить, потому что, хотя конъюгация очень распространена, мы думали, что существует четкое ограничение, при котором виды бактерий могут передавать плазмиды друг другу. Плазмиды принадлежат к разным мобильным группам или группам MOB, поэтому они не может передаваться между любыми видами бактерий.

Zrimec разработал новые методы анализа данных, которые показывают, что генетическая передача может быть гораздо более безграничной и широко распространенной, чем предполагалось ранее.

Среди прочего, он разработал алгоритм, который может идентифицировать определенные области ДНК, необходимые для конъюгации, называемые областями oriT, в больших объемах данных, состоящих из генетических последовательностей ДНК тысяч плазмид. Алгоритм также может сортировать плазмиды на группы MOB на основе идентифицированных областей oriT.

Он использовал алгоритм для исследования известных последовательностей генов из более чем 4600 природных плазмид из разных типов бактерий, что раньше было невозможно делать систематически. Результаты показывают, среди прочего, что:

• Количество ориТ-регионов может быть почти в восемь раз больше, чем количество, обнаруженное с помощью стандартного метода, используемого сегодня.
• Число мобильных плазмид может быть в два раза больше, чем было известно ранее.
• Число видов бактерий, у которых есть мобильные плазмиды, может быть почти в два раза выше, чем было известно ранее.
• Более половины этих плазмид имеют области oriT, которые соответствуют ферменту конъюгации из другой плазмиды, которая ранее была отнесена к другой группе MOB. Это означает, что они могут переноситься одной из этих плазмид, которая находится в той же бактериальной клетке.

Последняя часть означает, что могут существовать механизмы передачи между большим количеством видов бактерий и средами, в которых, как мы ранее считали, существуют барьеры.

«Эти результаты могут означать, что существует надежная сеть для передачи плазмид между бактериями в организме человека, животных, растений, почвы, водной среды и промышленности, и это лишь некоторые из них», – объясняет Зримек. «Гены устойчивости естественным образом встречаются у многих различных бактерий в этих экосистемах, и гипотетическая сеть может означать, что гены из всех этих сред могут быть переданы бактериям, вызывающим болезни у людей.

«Это может быть возможной причиной быстрого развития устойчивости у патогенов человека, которое мы наблюдали в последние годы. Наше широкое использование антибиотиков отбирает гены устойчивости, которые, таким образом, могут поступать из гораздо более крупного природного генетического резервуара. чем мы предполагали ранее ".

Результаты должны быть проверены экспериментально в будущем, но методы анализа данных, разработанные Zrimec, уже могут использоваться многими исследователями, работающими с устойчивостью к антибиотикам в различных медицинских и биологических областях. Они предоставляют новый мощный инструмент для систематического картирования потенциальной переносимости различных плазмид.

До сих пор это было серьезным ограничением области исследований, – говорит Зримек. – Я надеюсь, что эти методы принесут пользу большей части исследований устойчивости к антибиотикам, которые являются чрезвычайно междисциплинарной и фрагментированной областью. Эти методы могут быть использованы для исследований, направленных на разработку более эффективных ограничений для использования антибиотиков, инструкций по использованию антибиотиков и новых типов веществ, которые могут предотвратить распространение генов устойчивости на молекулярном уровне »

.

Ян Зримек, исследователь систем и синтетической биологии, Технологический университет Чалмерса

Подробнее о: Генетический перенос через конъюгацию:

Для того чтобы конъюгация началась, необходим фермент – релаксаза, – который подходит к определенному участку плазмиды. Релаксаза должна распознавать и связываться с областью, в которой кольцо ДНК может быть разорвано, и цепь может быть передана следующей бактерии. Эта область ДНК называется источником переноса или oriT.

Ранее считалось, что отдельная плазмида должна содержать как ген релаксазы, так и соответствующий oriT, чтобы быть переданной другим бактериям. Но бактериальная клетка может содержать несколько плазмид, и в последние годы различные исследователи показали, что релаксаза из одной плазмиды может соответствовать области oriT на другой плазмиде в той же клетке и активировать конъюгацию этой плазмиды.

Это означает, что плазмиде может быть достаточно иметь только oriT, чтобы иметь возможность конъюгировать, что, в свою очередь, означает, что многие плазмиды, которые ранее были классифицированы как немобильные из-за отсутствия гена релаксазы, могут быть конъюгативными. Но до сих пор неизвестно, насколько распространено это явление среди бактерий. Это один из пробелов в знаниях, который результаты Zrimec помогают восполнить.

Дополнительная информация: Новый метод по сравнению с текущим стандартом:

Современные стандартные инструменты для оценки переносимости плазмид основаны на поиске последовательностей ДНК для фермента релаксазы или участков oriT, с которыми фермент может связываться. На это есть несколько ключевых ограничений. Во-первых, некоторые инструменты дают неполные результаты, в то время как другие требуют чрезвычайно трудоемких и ресурсоемких лабораторных испытаний.

Новый метод анализа данных Zrimec основан исключительно на идентификации oriT-областей с использованием особых физико-химических свойств, обнаруженных именно в oriT-областях ДНК. В ходе предыдущих исследований он показал, что эти физико-химические признаки, определяющие, какая релаксаза может связываться с oriT-областью, более стабильны и специфичны, чем сами последовательности ДНК.

Это позволяет классифицировать плазмиды в нужную группу MOB на основе области oriT, независимо от релаксазы, что также позволяет исследователям составить карту общей переносимости между различными видами бактерий и средами.

Этот метод может обрабатывать большие объемы данных и может использоваться для эффективного поиска областей oriT на плазмидах в целом.