Väitöskirja antibioottiresistenssistä 2016.

 Göteborgin  yliopistossa  tehty väitöskirja aiheesta : Antibioottiresistenssi miljöössä: metagenomisten tutkimusten antamaa lisätietoa.   Väitöskirjan tekijän Johan Bengtsson-Palmen väitöstilaisuus oli 26.5. 2016.

LÄHDE:
 http://hdl.handle.net/2077/41843
Bengtsson-Palme, Johan:  Antibiotic resistance in the environment: a contribution from metagenomic studies

Suomennosta tiivistelmästä  28.5. 2016

Antibioottiresistenssi  aiheuttaa vuosittain satoja tuhansia kuolemia ja sen haaroittuvainen   lisääntyminen  on saanut WHO:n tunnistamaan suuren   luokan globaalisen uhkan.  Viime vuosikymmenenä on kertynyt suuri määrä näyttöä ympäristön  olennaisesta osuudesta resistenssin progredioitumiseen.  Ulkoinen miljöö toimii ihmispatogeenien resistenssigeenien lähteenä ja samoin myös tärkeänä leviämisreittinä suoden  resistenttien bakteerien kulkeutua edelleen eri ympäristöihin ja ihmisväestöihin.

 Tässä väitöskirjassa käytetään laajan asteikon DNA-sekvenssointitekniikkaa, jotta   saadaan parempaa käsitystä niistä riskeistä, joita liittyy ympäristön antibioottiresistenssiin. Avaintehtävänä tässä prosessissa on metagenomiikkaa käyttäen määrittää kvantitatiivisesti antibioottiresitenttien geenien lukumäärä eri miljöissä. Kuitenkin yhtä tärkeänä  tehtävänä on  saada asetettua saatu tieto laajempiin asiayhteyksiin, joita ovat esimerkiksi taksonomiset tiedot, havaitut antibioottipitoisuudet ja tunnistettujen resistenssigeenien genomiset yhteydet.   

Tässä teesissä esitetään software työväline (Metaxa 2)  metagenomisten tietojen paremmaksi taxonomiseksi  analysoimiseksi ja se näyttää antavan tarkempaa taksonomista luokittelua kuin muut  työvälineet (I osatyö)
Se antaa myös  teoreettisen ennusteen 111 antibiootin  ei-tehokkaista pitoisuuksista (II osatyö) sekä  tetrasykliinille kokeellisesti määritetyn minimaalisen selektiivisen pitoisuuden (III osatyö). Edelleen  määritetään kvantitatiivisesti kahdesta miljööstä resistenssigeenit: jätevedenkäsittelylaitoksesta ( IV osatyö)  ja järvestä,  johon virtaa   lääkeainetuotannon jätettä  (V osatyö). 

 Ei ollut selvää näyttöä antibioottiresistenssigeenien  selektiosta ( valiutumisesta)  jäteveden käsittelylaitoksen  jätevedestä, mutta muilla tekijöillä  (esim hapen saatavuudella) näytti olevan paljon suurempia vaikutuksia näihin mikrobiyhteiskuntiin ja ne vaikutukset  saattavat  maskeerata  antibioottien  ja muiden samanaikaisten selektiivisten agenssien pieniä valiutumisvaikutuksia   Päinvastoin oli tilanne  järvessä, joka altistui lääkeaineteolliseen saasteeseen. Siinä oli  resistenssigeenejä ja liikkuvaa geneettistä materiaalia  monenmoista ja runsasta. 

 Lopuksi VI:ssa  osatyössä osoitettiin, että matkustaminen vaikuttaa osaltaan useiden eri luokkien antibioottien  resistenssigeenien leviämistä korkean resistenssin maiden ja Ruotsin  kesken.
Osatöissä IV- VI  määriteltiin  geneettisiä asiayhteyksiä metagenomisella  kokoonpanolla ja  osoitettiin, miten resistenssigeenit linkkiytyvät  toisiinsa  eri miljöissä. Näillä keinoilla tämä väitöskirja  antaa osaltaan tietoa antibioottiresistenssigeenien kehittymisen ja  välittymisen   riskiasetelmista ja tätä tietoa voidaan käyttää oppaana riskin määrityksessä ja käsittelykaavoissa viivästettäessä tai vähennettäessä  kliinisen resistenssin kehkeytymistä.

Abstract 

• Antibiotic resistance accounts for hundreds of thousands of deaths annually, and its projected increase has made the WHO recognize it as a major global health threat. In the last decade, evidence has mounted suggesting that the environment plays an important role in the progression of resistance. The external environment acts as a source of resistance genes for human pathogens, but is also an important dissemination route allowing the spread of resistant bacteria between different environments and human populations.

•  In this thesis, large-scale DNA sequencing techniques are used to gain a better understanding of the risks associated with environmental antibiotic resistance. A key task in this process is the quantification of the number of antibiotic resistance genes in different environments using metagenomics. However, equally important is to put this information into a larger perspective, by including, for example, taxonomic data, concentrations of antibiotics present, and the genomic contexts of identified resistance genes.

• This thesis presents a software tool – Metaxa2 – for improved taxonomic analysis of shotgun metagenomic data, which is shown to give more accurate taxonomic classifications of short read data than other tools (Paper I). It also provides theoretically predicted no-effect concentrations for 111 antibiotics (Paper II), and experimentally determined minimal selective concentrations for tetracycline (Paper III). Furthermore, resistance genes are quantified in two environments suggested to pose selective conditions for resistance: sewage treatment plants (Paper IV) and a lake exposed to waste from pharmaceutical production (Paper V). There was no clear evidence for selection of antibiotic resistance genes in sewage treatment plants, however other factors such as oxygen availability seem to have much stronger effects on these microbial communities, which may mask small selective effects of antibiotics and other co-selective agents. In contrast, in the lake subjected to industrial pharmaceutical pollution, resistance genes and mobile genetic elements were both diverse and abundant.

• Finally, Paper VI shows that travel contributes to the spread of resistance genes against several different classes of antibiotics between countries with higher resistance rates and Sweden. In Paper IV–VI, the genetic contexts of resistance genes were assessed through metagenomic assembly, showing how different resistance genes are linked to each other in different environments. Through these means, the thesis contributes knowledge about risk settings for development and transmission of antibiotic resistance genes, which can be used to guide risk assessment and management schemes to delay or reduce clinical resistance development.