С появлением и распространением патогенов, устойчивых к антибиотикам, инфекции, связанные со здоровьем, стали серьезной угрозой. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, в любой день примерно один из 25 пациентов больницы болеет по крайней мере одной такой инфекцией, и каждый девятый умирает в результате.
Рассмотрим Klebsiella pneumoniae, как правило, не свирепый патоген, но теперь обладающий устойчивостью практически ко всем антибиотикам, применяемым в настоящее время в клинической практике. Это наиболее распространенный вид устойчивых к карбапенемам Enterobacteriaceae (CRE) в США. Поскольку карбапенемы считаются антибиотиками последней инстанции, CRE представляют собой тройную угрозу из-за их устойчивости почти ко всем антибиотикам, высокой смертности и способности распространять свою устойчивость на другие бактерии.Но надежда есть.
Команда микробиологов Sandia National Laboratories недавно впервые секвенировала весь геном штамма Klebsiella pneumoniae, кодирующего металло-бета-лактамазу Нью-Дели (NDM-1). Они представили свои выводы в статье, опубликованной в PLOS One, «Детерминанты устойчивости и мобильные генетические элементы штамма Klebsiella pneumoniae, кодирующего NDM-1».Команда Sandia, состоящая из Кори Хадсона, Зака Бента, Роберта Мигера и Келли Уильямс, начинает понимать многогранные механизмы устойчивости бактерий.
Для этого они разработали несколько новых инструментов биоинформатики для определения механизмов генетического движения, инструментов, которые также могут быть эффективными при обнаружении биоинженерии.«После того, как мы секвенировали весь геном, это стало настоящим открытием, когда мы увидели концентрацию стольких генов устойчивости к антибиотикам и так много различных механизмов их накопления», — пояснил биоинформатик Уильямс. «Простое секвенирование этого генома открыло хранилище информации о том, как гены перемещаются между бактериями и как ДНК перемещается внутри хромосомы».
Мигер впервые в прошлом году работала с Klebsiella pneumoniae ATCC BAA-2146 (Kpn2146), первым в США изолятом, кодирующим NDM-1. Наряду с E.coli он использовался для тестирования платформы подготовки библиотеки автоматического секвенирования для RapTOR Grand Challenge, проекта Sandia, который разработал методы, позволяющие обнаруживать патогены в клинических образцах.«В течение некоторого времени меня интересовали организмы с множественной лекарственной устойчивостью.
Признак устойчивости к лекарствам NDM-1 быстро распространяется по всему миру, поэтому существует большая потребность в диагностических инструментах», — сказал Мигер. «Этот конкретный штамм Klebsiella pneumoniae завораживает и пугает, потому что он устойчив практически ко всему. Некоторые из этого можно объяснить на основе NDM-1, но он также устойчив к другим классам антибиотиков, к которым NDM-1 не имеет никакого отношения. "Разблокировка Klebsiella pneumoniaeСборка целого генома похожа на сборку пазла. Оказалось, что Klebsiella pneumoniae имеет одну большую хромосому и четыре плазмиды, небольшие молекулы ДНК, физически отделенные от хромосомной ДНК бактериальной клетки и способные к ней реплицироваться независимо.
Плазмиды часто несут гены устойчивости к антибиотикам и другие защитные механизмы.Исследователи обнаружили, что их бактерии Klebsiella pneumoniae кодируют 34 отдельных фермента устойчивости к антибиотикам, а также оттокные насосы, которые выводят соединения из клеток, и мутации в хромосомных генах, которые, как ожидается, придают устойчивость. Они также идентифицировали несколько механизмов, которые позволяют клеткам мобилизовать гены устойчивости как внутри одной клетки, так и между клетками.
«У каждого из этих генов есть своя история: как он попал в эти бактерии, где он был и как эволюционировал», — сказал Уильямс.Необходимость приводит к разработке новых инструментов
Klebsiella pneumoniae использует установленные механизмы для перемещения генов, такие как «прыгающие гены», известные как транспозоны, и геномные острова, мобильные элементы ДНК, которые обеспечивают горизонтальный перенос генов между организмами. Однако у организма так много уловок и оружия, что исследовательской группе пришлось выйти за рамки существующих инструментов биоинформатики и разработать новые способы определения механизмов генетического движения.
Уильямс и Хадсон обнаружили циркулярные формы транспозонов в движении, которые никогда не демонстрировались подобным образом, и обнаружили участки в геноме, претерпевающие гомологичную рекомбинацию, еще один механизм мобилизации генов. Применяя два существующих метода биоинформатики для обнаружения геномных островов, они обнаружили третий класс островов, которые ни один метод не мог бы обнаружить в одиночку.«В некоторой степени, каждый дополнительный фрагмент ДНК, который приобретает бактерия, имеет определенную цену, поэтому бактерии обычно не сохраняют черты, которые им не нужны», — сказал Хадсон. «Чем дальше мы копались в геноме, тем больше историй мы находили о движении внутри организма и от других организмов, а также об истории оскорблений, таких как антибиотики, с которыми он сталкивался.
Эта конкретная бактерия со временем становится все более отвратительной».Применение результатов к будущей работеПолученные данные применяются в рамках проекта исследований и разработок под руководством лаборатории, возглавляемого микробиологом Sandia Эриком Карнесом, который изучает альтернативные подходы к лечению устойчивых к лекарствам организмов. «Вместо традиционных антибиотиков мы используем подход, основанный на последовательностях, чтобы заглушить экспрессию генов лекарственной устойчивости», — сказал Мигер.Исследователи также применяют свое понимание механизмов устойчивости Klebsiella pneumoniae и свои новые инструменты биоинформатики для разработки диагностических инструментов для выявления биоинженерии.
Просматривая 10 родственных, но различных штаммов Klebsiella pneumoniae, они точно определили области, которые были новыми для их штамма, и, таким образом, указывают на генетическое движение.«Изучая характер движения, мы можем лучше охарактеризовать естественный геномный остров», — сказал Хадсон. «Это ведет к тому, как выглядит неестественный остров, что является признаком биоинженерии.
Мы надеемся применить знания, полученные в результате секвенирования Klebsiella pneumoniae, для разработки диагностических инструментов, которые могут обнаружить биоинженерию».