Bacteriën wisselen snel genetische informatie uit, inclusief codering voor antibioticaresistentie

Microben hebben een snelle en effectieve manier ontwikkeld om genetische informatiecodering uit te wisselen voor antibioticaresistentie, andere functies.
Net zoals het digitale tijdperk mensen in staat stelt om informatie direct uit te wisselen, lijkt het ook mogelijk dat bacteriën die zijn gekoppeld aan mensen en hun vee, vrij en snel genetisch materiaal met betrekking tot menselijke ziekten en resistentie tegen antibiotica kunnen uitwisselen via een mechanisme dat horizontale genoverdracht (HGT) wordt genoemd.
Onderzoekleider Eric Alm van het ministerie van Civiele Techniek en Milieutechniek van het MIT en Afdeling Biologische Techniek zegt in een artikel in Nature dat hij en zijn team bewijzen hebben gevonden van een enorm netwerk van recente genuitwisseling dat bacteriën van over de hele wereld met elkaar verbindt: 10.000 unieke genen die via HGT tussen 2.235 bacteriële genomen vloeien.
Wetenschappers weten al lang van HGT, een oude methode voor bacteriën uit verschillende afstammingen om nuttige genetische informatie te verzamelen en te delen die ze niet van hun ouders hebben geërfd. Ze weten dat wanneer een overgedragen gen een gewenste eigenschap krijgt, bijvoorbeeld resistentie tegen antibiotica of pathogeniteit, het een positieve selectie kan ondergaan en wordt doorgegeven aan de eigen afstammeling van een bacterie. Dit kan schadelijk zijn voor de mens, zoals blijkt uit de proliferatie van antibioticaresistente bacteriestammen in zogenaamde 'superbeestjes'.
Tot nu toe wisten wetenschappers niet hoeveel of hoe snel deze informatie werd uitgewisseld, maar MIT-onderzoekers zijn erin geslaagd om de enorme schaal en snelle snelheid waarmee genen prolifereren over bacteriële lijnen te illustreren.
Alm, de universitair hoofddocent Karl Van Tassel licht toe:

"We vinden [volledig] identieke genen in bacteriën die zo van elkaar verschillen als een mens voor een gist.Dit laat zien dat de overdracht recent is, het gen heeft geen tijd gehad om te muteren."

Computational systems biology graduate student Chris Smillie, een van de hoofdauteurs van de krant, zegt:

"We waren verrast dat 60% van de overdrachten tussen menselijke bacteriën een gen voor resistentie tegen antibiotica bevat."

Deze resistentiegenen kunnen in verband worden gebracht met het gebruik van antibiotica in de industriële landbouw, omdat onderzoekers 42 antibioticaresistente genen ontdekten die werden gedeeld tussen vee- en mens-geassocieerde bacteriën. Dit toont een cruciale link die pools van resistentie tegen geneesmiddelen in menselijke en agrarische populaties verbindt.

Alm reageert:

"Op de een of andere manier, hoewel een miljard jaar evolutie van het genoom een ??bacterie scheidt die leeft van een koe en een bacterie die op een mens leeft, hebben beide toegang tot dezelfde genenbibliotheek. Het is een krachtig indirect bewijs dat genen worden overgedragen tussen voedseldieren en mensen."

De onderzoekers identificeerden verder 43 onafhankelijke gevallen van antibioticaresistentiegenen die kruisten tussen naties. Mark Smith, student afgestudeerd microbiologie en tevens hoofdauteur van de studie, waarschuwt:

"Dit is een echt internationaal probleem: zodra een eigenschap in de mens-geassocieerde genenpool komt, verspreidt het zich snel zonder rekening te houden met nationale grenzen."

De V.S. heeft een wijdverspreide praktijk van het toevoegen van profylactische antibiotica aan diervoer om de groei te bevorderen en de verspreiding van ziekten in dichtbevolkte kudden en koppels te voorkomen. Dit is in veel Europese landen verboden. De Federal Drug Administration stelt dat meer dan 80% van de 33 miljoen pond antibiotica, waaronder penicillines en tetracyclines die gewoonlijk worden gebruikt als geneesmiddelen voor mensen, in 2009 in de Verenigde Staten werden verkocht voor gebruik in de landbouw, waarbij 90% subtherapeutisch via voedsel en water werd toegediend.
De onderzoekers ontdekten dat HGT vaker voorkomt bij bacteriën die op dezelfde plaats van het lichaam leven, dezelfde zuurstoftolerantie hebben of dezelfde pathogeniteit hebben. Dit leidt tot de conclusie dat ecologie, of plaatsen op het milieu, belangrijker zijn voor de vraag of een overgedragen gen zal worden opgenomen in het DNA van een bacterie en zal worden doorgegeven aan zijn nakomelingen dan hetzij afkomst of geografische nabijheid bij het bepalen.
Alm legt uit:

"Dit geeft ons een rulebook voor het begrijpen van de krachten die genenuitwisseling beheersen."

Door deze regels toe te passen om genen te vinden die verband houden met het vermogen om meningitis en andere ziekten te veroorzaken, hoopt het team dat overgedragen eigenschappen en de genen die voor die eigenschappen coderen, de weg kunnen banen voor bijzonder veelbelovende doelen voor toekomstige medicamenteuze therapieën.
Ze zetten hun werk voort en vergelijken momenteel de wisselkoersen tussen bacteriën op verschillende locaties op dezelfde persoon en tussen bacteriën die op of in mensen leven die aan dezelfde ziekte lijden. Ze bestuderen ook een milieuverontreinigde site om vast te stellen welke verwisselde genen de microbiële opruiming door metaalreducerende bacteriën kunnen vergemakkelijken.
Co-auteurs van het Nature-artikel zijn de gediplomeerde student Jonathan Friedman, postdoc Otto Cordero en oud-student Lawrence David, nu aan de universiteit van Harvard.
Het onderzoek maakt deel uit van het Human Microbiome Project van de National Institutes of Health en werd gefinancierd door de ENIGMA Scientific Focus Area van het Department of Energy en de National Science Foundation.
Geschreven door: Petra Rattue