Pour l'étude, publié le 26 mai dans Cellule , enquêteurs internationaux en ont recueilli près de 5, 000 échantillons sur une période de trois ans dans 60 villes de 32 pays et six continents. Les enquêteurs ont analysé les échantillons à l'aide d'une technique de séquençage génomique appelée séquençage au fusil de chasse pour détecter la présence de divers microbes, y compris les bactéries, archaea (organismes unicellulaires distincts des bactéries), et les virus qui utilisent l'ADN comme matériel génétique. (Autres types de virus qui utilisent l'ARN comme matériel génétique, comme le SARS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, n'auraient pas été détectés avec les méthodes d'analyse de l'ADN utilisées dans cette étude pré-pandémique.)
Ce domaine de recherche a des implications importantes pour la détection des épidémies d'infections connues et inconnues et pour l'étude de la prévalence des microbes résistants aux antibiotiques dans différents environnements urbains.
"Chaque fois que vous vous asseyez dans le métro, vous faites probablement la navette avec une espèce entièrement nouvelle, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Christopher Mason, co-directeur de la WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction et professeur de physiologie et de biophysique à Weill Cornell Medicine. Le Dr Mason est également co-fondateur et consultant rémunéré de Biotia et Onegevity Health, et un conférencier rémunéré pour WorldQuant LLC.
L'étude actuelle a conduit à la découverte de 10, 928 virus et 748 bactéries qui ne sont présents dans aucune base de données de référence.
Le Dr Mason a fondé MetaSUB (abréviation de Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes) en 2015, avec le Dr Evan Afshin, qui était alors étudiant de premier cycle au Macaulay Honors College du Queens College et est maintenant chercheur clinique en physiologie et biophysique à Weill Cornell Medicine et consultant rémunéré pour Onegevity Health.
L'étude récemment publiée a été dirigée par les Drs. Le maçon, David Danko, un étudiant au doctorat de la Weill Cornell Graduate School dans le laboratoire du Dr Mason pendant l'étude, et Daniela Bezdan, qui était associé de recherche en biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine à l'époque.
En collectant des échantillons de microbes et en analysant leurs gènes - collectivement connus sous le nom de microbiome - les chercheurs espèrent en savoir plus sur les bactéries, virus et autres micro-organismes qui vivent parmi les humains. Par exemple, la recherche peut aider à identifier l'émergence de souches résistantes aux antibiotiques.
Il est difficile de prédire la résistance aux antibiotiques à partir de séquences génétiques uniquement, mais les chercheurs ont pu cartographier certains gènes connus pour être liés à la résistance, quantifier leur abondance et confirmer la capacité des marqueurs génétiques à conférer une résistance. Ils ont découvert que certaines villes avaient plus de gènes de résistance que d'autres, et qu'il pourrait y avoir des signatures spécifiques à la ville pour certains de ces gènes.
La résistance aux antimicrobiens reste un enjeu majeur de santé mondiale. « Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, cet ensemble de données démontre la valeur et le potentiel de la cartographie et de la surveillance du microbiome, et les informations qu'il peut fournir aux médecins, scientifiques et responsables de la santé publique, " a déclaré le Dr Afshin.
De plus, l'apprentissage des petites molécules et des protéines fabriquées par les microbes pourrait également conduire à la découverte de nouveaux antibiotiques ainsi que d'autres molécules susceptibles d'être développées en tant que médicaments. De nombreux antibiotiques et médicaments actuellement utilisés sont dérivés de sources microbiennes.
Les découvertes faites sur de nouvelles espèces microbiennes pourraient également conduire à de nouveaux outils et approches de laboratoire, telles que de nouvelles façons d'utiliser l'outil d'édition moléculaire connu sous le nom de CRISPR. Dans cette étude, les chercheurs ont trouvé 838, 532 nouvelles puces CRISPR - des extraits d'ADN viral trouvés à l'intérieur de bactéries - et 4,3 millions de nouveaux peptides (petites protéines).
En raison de ces efforts d'échantillonnage, Le Dr Mason a déclaré qu'il peut prédire avec une précision d'environ 90 % où vit une personne, juste en séquençant l'ADN sur leurs chaussures. De nombreux facteurs ont été trouvés pour influencer le microbiome d'une ville, y compris la population globale et la densité de population, élévation, proximité de l'océan et du climat. Les résultats de ces signatures distinctes pourraient permettre de futures études médico-légales.
Un microbiome contient des échos moléculaires du lieu où il a été collecté. Un échantillon côtier peut contenir des microbes aimant le sel tandis qu'un échantillon d'une ville densément peuplée peut montrer une biodiversité frappante, " dit le Dr Danko.
Dr David Danko, Étudiant en troisième cycle, École d'études supérieures Weill Cornell.
Drs. Mason et Afshin ont commencé à collecter et à analyser des échantillons microbiens dans le métro de New York en 2013. Après avoir publié leurs premières découvertes, surnommé PathoMap, ils ont été contactés par des chercheurs du monde entier qui voulaient faire des études similaires pour leurs propres villes.
L'intérêt international a inspiré le laboratoire du Dr Mason à créer MetaSUB et a recruté Daniela Bezdan en tant que directrice de recherche. "Nous avions besoin de protocoles internationalement acceptés, des accords de logistique et de collaboration avec des scientifiques, vendeurs, bureaux gouvernementaux et fondations philanthropiques pour potentiellement 100 villes dans 20 pays, " a déclaré Bezdan.
Aujourd'hui, MetaSUB continue de croître et s'est étendu à la collecte d'échantillons d'ARN et d'ADN dans l'air, eau et égouts, en plus des surfaces dures. Cela a conduit à une subvention de 5 millions de dollars pour le séquençage des eaux usées et le suivi viral dans trois États (Floride, New York et Wisconsin), et qui fait partie du nouveau système national de surveillance des eaux usées (NWSS) du Center for Disease Control and Prevention.
Le groupe supervise également des projets tels que le Global City Sampling Day (gCSD), lieu chaque année le 21 juin, et a effectué des études de grande envergure, y compris une analyse microbienne complète de Rio de Janeiro auparavant, pendant et après les Jeux olympiques d'été de 2016. De nombreux échantillons analysés dans la présente étude ont été collectés lors de la Journée mondiale de l'échantillonnage des villes en 2016 et 2017.
L'effort d'échantillonnage de la ville de New York a été mené avec le soutien du Weill Cornell Medicine Clinical and Translational Science Center (CTSC), en collaboration avec Jeff Zhu, gestionnaire principal du programme CTSC. Le Dr Mason et ses collègues se préparent actuellement pour l'événement de cette année.
"Quand nous avons commencé en 2015, le consortium était composé de 16 villes; six ans plus tard, nous avons plus de 100 villes. C'est super d'avoir ce groupe de curieux, des co-chercheurs autonomes et enthousiastes, " a déclaré le Dr Mason, qui est également professeur de génomique computationnelle en biomédecine computationnelle à l'Institut SAR le Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Al-Saud pour la biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine.
"Bien que des échantillons soient collectés partout dans le monde, une grande partie de l'analyse est effectuée ici même à New York à Weill Cornell Medicine, " a déclaré le Dr Mason. L'analyse et l'assemblage des séquences ont également tiré parti des ponts et des ponts-2, Supercalculateurs Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) au Pittsburgh Supercomputing Center.
Les chercheurs MetaSUB en Suisse (les Drs Andre Kahles et Gunnar Rätsch) ont utilisé ces assemblages et ces données brutes pour construire un portail mondial de séquences d'ADN (MetaGraph) qui indexait toutes les séquences génétiques connues (y compris les données MetaSUB). Le portail mappe tous les éléments génétiques connus ou nouvellement découverts à leur emplacement sur Terre et peut aider à la découverte de nouvelles interactions microbiennes et fonctions putatives.
L'isolement d'ADN à partir d'échantillons a été largement réalisé avec le soutien de Zymo Research et Promega, et séquencé en collaboration avec le Dr Shawn Levy au HudsonAlpha Institute for Biotechnology, Dr Klas Udekwu de l'Université de Stockholm et du New York Genome Center. Les études futures et en cours examineront l'ARN et l'ADN avec des lectures longues et des méthodes d'imagerie spatiale, ainsi que tracer les métabolites des sites mondiaux, et continuer à mettre à jour la carte génétique à l'échelle planétaire.
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