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.
