Vedci používajú techniku ​​genómového sekvenovania na detekciu prítomnosti rôznych mikróbov

Asi 12, Nikdy nebolo identifikovaných 000 baktérií a vírusov zozbieraných vo vzorkách zo systémov verejnej dopravy a nemocníc po celom svete v rokoch 2015 až 2017, podľa štúdie Medzinárodného konzorcia MetaSUB, globálne úsilie o sledovanie mikróbov, ktoré vedú vyšetrovatelia spoločnosti Weill Cornell Medicine.

Na štúdium, publikované 26. mája v Bunka , medzinárodní vyšetrovatelia zhromaždili takmer 5, 000 vzoriek za tri roky v 60 mestách v 32 krajinách a na šiestich kontinentoch. Vyšetrovatelia analyzovali vzorky pomocou techniky genómového sekvenovania nazývanej sekvenovanie brokovnicou, aby sa zistila prítomnosť rôznych mikróbov, vrátane baktérií, archaea (jednobunkové organizmy, ktoré sa líšia od baktérií), a vírusy, ktoré ako svoj genetický materiál používajú DNA. (Iné typy vírusov, ktoré ako svoj genetický materiál používajú RNA, ako SARS-CoV-2, vírus, ktorý spôsobuje COVID-19, neboli by detegované metódami analýzy DNA použitými v tejto predpandemickej štúdii.)

Táto oblasť výskumu má dôležité implikácie pre detekciu ohnisiek známych aj neznámych infekcií a pre štúdium prevalencie mikróbov odolných voči antibiotikám v rôznych mestských prostrediach.

„Zakaždým, keď si sadnete do metra, pravdepodobne dochádzate za úplne novým druhom, “povedal hlavný autor Dr. Christopher Mason, spoluautor iniciatívy WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction a profesor fyziológie a biofyziky na Weill Cornell Medicine. Dr. Mason je tiež spoluzakladateľom a plateným konzultantom spoločností Biotia a Onegevity Health, a platený rečník pre WorldQuant LLC.

Táto štúdia viedla k objaveniu 10, 928 vírusov a 748 baktérií, ktoré sa nenachádzajú v žiadnych referenčných databázach.

Dr. Mason založil v roku 2015 spoločnosť MetaSUB (skratka pre metagenomiku a metadeign metra a mestských biomeov), spolu s doktorom Evanom Afshinom, ktorý bol vtedy vysokoškolským študentom na Macaulay Honors College na Queens College a teraz je klinickým odborníkom vo fyziológii a biofyzike vo Weill Cornell Medicine a plateným konzultantom pre Onegevity Health.

Novo vydanú štúdiu viedli Dr. Mason, David Danko, doktorand Weill Cornell Graduate School v laboratóriu Dr. Masona počas štúdie, a Daniela Bezdan, ktorý bol v tom čase výskumným pracovníkom v oblasti výpočtovej biomedicíny vo Weill Cornell Medicine.

Vedci dúfajú, že zhromaždením vzoriek mikróbov a analýzou ich génov-súhrnne známych ako mikrobiómy-dozvedia sa viac o baktériách, vírusy a iné mikroorganizmy, ktoré žijú medzi ľuďmi. Napríklad, výskum môže pomôcť identifikovať výskyt kmeňov odolných voči antibiotikám.

Predpovedanie rezistencie na antibiotiká iba z genetických sekvencií je náročné, vedci však dokázali zmapovať niektoré gény, o ktorých je známe, že sú spojené s rezistenciou, kvantifikujte ich početnosť a potvrďte schopnosť genetických markerov udeľovať rezistenciu. Zistili, že niektoré mestá majú viac génov rezistencie ako ostatné, a že pre niektoré z týchto génov môžu existovať podpisy špecifické pre mesto.

Antimikrobiálna rezistencia zostáva hlavnou globálnou výzvou pre zdravie. „Aj keď je potrebný ďalší výskum, tento súbor údajov demonštruje hodnotu a potenciál pre mapovanie a monitorovanie mikrobiómov, a postrehy, ktoré môže poskytnúť lekárom, vedci a úradníci verejného zdravotníctva, “Povedal doktor Afshin.

Navyše, učenie o malých molekulách a proteínoch produkovaných mikróbmi by tiež mohlo viesť k objaveniu nových antibiotík a ďalších molekúl, ktoré majú potenciál vyvinúť sa ako liečivá. Mnoho antibiotík a liekov, ktoré sa v súčasnosti používajú, pochádza z mikrobiálnych zdrojov.

Objavy o nových mikrobiálnych druhoch môžu tiež viesť k novým laboratórnym nástrojom a prístupom, ako sú nové spôsoby použitia nástroja na molekulárnu úpravu známeho ako CRISPR. V tejto štúdii, vedci zistili 838, 532 nových polí CRISPR-útržky vírusovej DNA nachádzajúce sa v baktériách-a 4,3 milióna nových peptidov (malé proteíny).

Vzhľadom na tieto snahy o odber vzoriek Doktor Mason povedal, že dokáže s približne 90 percentnou presnosťou predpovedať, kde človek žije, len sekvenovaním DNA na ich topánkach. Zistilo sa, že mnoho faktorov ovplyvňuje mikrobióm mesta, vrátane celkovej populácie a hustoty obyvateľstva, nadmorská výška, blízkosť oceánu a podnebia. Zistenia o týchto odlišných podpisoch by mohli umožniť budúce forenzné štúdie.

Mikrobióm obsahuje molekulárne ozveny miesta, kde bol zozbieraný. Pobrežná vzorka môže obsahovať mikróby milujúce soľ, zatiaľ čo vzorka z husto osídleného mesta môže vykazovať pozoruhodnú biodiverzitu, “Povedal doktor Danko.

Doktor David Danko, Študent, Weill Cornell Graduate School.

Dr. Mason a Afshin začali zbierať a analyzovať mikrobiálne vzorky v systéme metra New York City v roku 2013. Potom, čo zverejnili svoje prvé zistenia, dabovaný PathoMap, kontaktovali ich vedci z celého sveta, ktorí chceli urobiť podobné štúdie pre svoje vlastné mestá.

Medzinárodný záujem inšpiroval laboratórium doktora Masona k vytvoreniu MetaSUB a prijal Danielu Bezdana na pozíciu riaditeľa výskumu. „Potrebovali sme medzinárodne uznávané protokoly, dohody o logistike a spolupráci s vedcami, predajcovia, vládne úrady a filantropické nadácie pre potenciálne 100 miest v 20 krajinách, “Povedal Bezdan.

MetaSUB dnes pokračuje v raste a rozšíril sa o zber vzoriek RNA a DNA zo vzduchu, vodné a stočné, okrem tvrdých povrchov. To viedlo k grantu vo výške 5 miliónov dolárov na sekvenovanie odpadových vôd a sledovanie vírusov v troch štátoch (Florida, New York a Wisconsin), a ktorý je súčasťou nového národného systému sledovania a prevencie chorôb Centra pre kontrolu a prevenciu chorôb (NWSS).

Skupina dohliada aj na projekty ako Global City Sampling Day (gCSD), koná sa každý rok 21. júna a predtým vykonal rozsiahle štúdie vrátane komplexnej mikrobiálnej analýzy Ria de Janeira, počas a po letných olympijských hrách 2016. Mnoho vzoriek analyzovaných v súčasnej štúdii bolo zhromaždených v rámci Globálneho dňa vzorkovania miest v rokoch 2016 a 2017.

Úsilie o odber vzoriek v New Yorku sa uskutočnilo s podporou Centra klinickej a translačnej vedy Weill Cornell Medicine (CTSC), v spolupráci so senior programovým manažérom CTSC Jeffom Zhuom. Doktor Mason a jeho kolegovia sa v súčasnosti pripravujú na tohtoročné podujatie.

„Keď sme začali v roku 2015, konzorcium pozostávalo zo 16 miest; o šesť rokov neskôr máme viac ako 100 miest. Je skvelé mať túto skupinu zvedavcov, začínajúci a nadšení spoluvyšetrovatelia, "povedal doktor Mason, ktorý je tiež profesorom výpočtovej genomiky vo výpočtovej biomedicíne na Inštitúte pre výsosť princa Alwaleeda Bina Talala Bina Abdulaziz Al-Sauda pre počítačovú biomedicínu vo Weill Cornell Medicine.

„Aj keď sa vzorky zbierajú po celom svete, veľká časť analýzy sa robí práve tu v New Yorku vo Weill Cornell Medicine, "povedal doktor Mason. Analýza a zostavenie sekvencií tiež využili mosty a mosty-2, Superpočítače Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) v Pittsburgh Supercomputing Center.

Výskumníci MetaSUB vo Švajčiarsku (dr. Andre Kahles a Gunnar Rätsch) použili tieto zostavy a prvotné údaje na vytvorenie vyhľadávateľného portál globálnej sekvencie DNA (MetaGraph), ktorý indexoval všetky známe genetické sekvencie (vrátane údajov MetaSUB). Portál mapuje všetky známe alebo novo objavené genetické prvky na ich umiestnenie na Zemi a môže pomôcť pri objavení nových mikrobiálnych interakcií a domnelých funkcií.

Izolácia DNA zo vzoriek bola do značnej miery vykonaná s podporou spoločností Zymo Research a Promega, a sekvenované v spolupráci s Dr. Shawnom Levym z HudsonAlpha Institute for Biotechnology, Dr. Klas Udekwu zo Štokholmskej univerzity a New York Genome Center. Budúce a prebiehajúce štúdie sa zamerajú na RNA a DNA pomocou metód dlhého čítania a priestorového zobrazovania, ako aj sledovať metabolity z globálnych lokalít, a pokračovať v aktualizácii genetickej mapy v planetárnom meradle.

• Nové mikrobiálne gény zodpovedné za premenu žlčových kyselín sú významným krokom vpred pre zdravie čriev
• Spoločnosť Beckman Coulter Life Sciences uvádza na trh mikrobioreaktor Biolector XT ďalšej generácie