Różnorodność genetyczna Clostridium difficile, zwłaszcza patogen problemowy

Naukowcy z University of California San Diego School of Medicine i Jacobs College of Engineering wraz z kolegami z Baylor College of Medicine zastosowali podejście biologii systemowej do analizy genetycznej różnorodności Clostridioides difficile, szczególnie problematycznego patogenu w placówkach opieki zdrowotnej.

Centers for Disease Control szacuje, że bakterie powodują około 500 000 infekcji rocznie w Stanach Zjednoczonych, z ciężką biegunką i zapaleniem okrężnicy jako charakterystycznymi objawami.

Odkrycia naukowców zostały opublikowane w internetowym wydaniu PNAS z 27 kwietnia 2022 r.

Clostridium difficile jest najczęstszą przyczyną zakażeń szpitalnych, częściowo ze względu na stosowanie antybiotyków, które mogą zabić wystarczającą ilość zdrowych bakterii, aby umożliwić niekontrolowany wzrost C. difficile. Infekcja jest szczególnie niebezpieczna u osób starszych. Jak donosi CDC, jedna na 11 osób w wieku powyżej 65 lat, u których zdiagnozowano szpitalny przypadek Clostridium difficile, umiera w ciągu miesiąca.

J. powiedział starszy autor Jonathan M. Monk, MD, naukowiec z UCSD Biology Research Group, kierowanej przez dr Bernarda O. Palsona, profesora bioinżynierii i adiunkta na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego School of Medycyna „Nie powoduje typowej biegunki. Większość ludzi wraca do zdrowia, ale niektórzy poważnie chorują i wymagają leczenia szpitalnego, a niektórzy umierają z powodu powikłań, takich jak niewydolność nerek lub posocznica”.

Aby lepiej zrozumieć cechy genetyczne Clostridium difficile – a tym samym opracować modele, które mogą identyfikować i przewidywać jej złożoną, trwającą ewolucję – naukowcy wykorzystali sekwencjonowanie całego genomu, wysokowydajne badania przesiewowe fenotypowe i modelowanie metaboliczne 451 szczepów bakterii.

Dane te zostały wykorzystane do skonstruowania „pangenomu” lub pełnego zestawu genów reprezentujących wszystkie znane szczepy Clostridium difficile, z których zidentyfikowano 9924 odrębnych klastrów genów, z których 2899 uznano za nieodłączne (znaleziono we wszystkich szczepach), podczas gdy 7025 było z nich. „Rozszerzenie” (obecne u niektórych ras, ale brakujące u innych).

Za pomocą nowej metody typowania sklasyfikowali 176 genetycznie odrębnych grup ras.

Współautorka Jennifer K. Medycyna. „Może to mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia, co napędza epidemię i jak walczyć z jej rozprzestrzenianiem się”.

Trzydzieści pięć szczepów reprezentujących całą grupę zostało eksperymentalnie zidentyfikowanych przy użyciu 95 różnych źródeł składników odżywczych, ujawniając 26 różnych profili rozwojowych. Zespół skonstruował następnie 451 modeli metabolizmu w skali genomu specyficznego dla szczepu, aby wytworzyć różnorodność fenotypową w 28 864 unikalnych przypadkach. Modele były w stanie poprawnie przewidzieć wzrost w 76% zmierzonych przypadków.

„Jedną z mocnych stron prezentowanej pracy jest spójność różnych typów danych biologicznych w kompleksowe ramy biologiczne systemów, które umożliwiają analizę na dużą skalę” – powiedział pierwszy autor, dr Charles J. Norsigian, naukowiec zajmujący się danymi w Biology Research Group. „Interpretując szczepy Clostridium difficile w kontekście populacyjnym, byliśmy w stanie podkreślić istotne cechy szczepu w odniesieniu do niszy odżywczej, czynników zjadliwości i wyznaczników oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, które w inny sposób mogłyby nie zostać odkryte”.

Współautorami są: Bernhard O. Palsson, UC San Diego; Wrzos A. Dunhoff, Colin K. Brand, Firas S., Medani, Robert A.; Britton i Tour C. Savage, Baylor College of Medicine; Jared T. Broderick i Jennifer K. Spinner, Centrum Badawcze NASA Amesa.

Odniesienie:

1. Karol C. Norsigian, Heather A. Danhoff, Colin K. Brand, Firas S. Maidani, Jared T. Broderick, Tor C. Savage, Robert A. Britton, Bernard O. Palson, Jennifer K. Spinler, Jonathan M. Monk. Podejście biologii systemów do oceny czynnościowej pangenomu Clostridioides difficile ujawnia różnorodność genetyczną o sile dyskryminacyjnej. Materiały Narodowej Akademii Nauk, 2022; 119 (18) DOI: 10.1073/pnas.2119396119