Антибиотикорезистентность представляет собой одну из самых серьёзных угроз здравоохранению, поскольку снижает эффективность лечения бактериальных инфекций. Неправильное и чрезмерное применение антибиотиков в медицине и пищевой промышленности способствует адаптации бактерий к препаратам.
Антибиотикорезистентные гены (ARG) являются небольшими фрагментами бактериальной ДНК, передаваемыми между микроорганизмами. Из более чем 5000 идентифицированных ARG видно, что они присутствуют как в клинических образцах, так и в водных системах, включая больницы, фермы и канализационные сети.
Метод количественной полимеразной цепной реакции (qPCR), использующий руНК-гиды для амплификации известных последовательностей ARG, требует длительной разработки и проверки праймеров. Стандартная метагеномика, хотя и охватывает миллионы фрагментов ДНК, показывает низкую чувствительность, поскольку ARG составляют менее 1% (вероятнее около 0,1%) от общего генетического материала.
Разработанный исследователями из Carl R. Woese Institute for Genomic Biology метод CRISPR-обогащённой метагеномики использует систему CRISPR-Cas9 для целенаправленной фрагментации ARG. За счёт этого подхода фрагментация происходит в выбранных участках генов, что значительно повышает их концентрацию в анализируемых образцах.
В основу метода положен пул из 6010 направляющих РНК, позволяющих связываться с различными сайтами в ARG и направлять белок Cas9 к специфическим участкам. Это повысило чувствительность обнаружения, снизив порог с 10⁻⁴ до 10⁻⁵, и позволило выявить дополнительно 1189 ARG и 61 семейство генов в образцах сточных вод.
Проект реализован совместными усилиями University of Illinois Urbana-Champaign и Department of Microbiology, где профессор Helen Nguyen, аспирант Yuqing Mao (первый автор работы) и сотрудник Joanna Shisler внесли существенный вклад. Результаты исследования опубликованы в журнале Water Research.
«Впервые, когда я получил результаты секвенирования, я и не ожидал, что метод окажется настолько чувствительным по сравнению с обычными подходами — обнаружено значительно больше ARG, чем предполагалось. После завершения проекта я почувствовал, что стал взрослым», — отметил Yuqing Mao, преодолевший множество научных препятствий и освоивший новые методики.
Применение CRISPR-метагеномики открывает перспективы для комплексного мониторинга антибиотикорезистентности в окружающей среде. Планируется расширение исследования на другие экологические образцы и использование полученных данных для разработки новых qPCR-праймеров, что позволит значительно повысить эффективность наблюдения за угрозами общественному здравоохранению.
Изображение носит иллюстративный характер
Антибиотикорезистентные гены (ARG) являются небольшими фрагментами бактериальной ДНК, передаваемыми между микроорганизмами. Из более чем 5000 идентифицированных ARG видно, что они присутствуют как в клинических образцах, так и в водных системах, включая больницы, фермы и канализационные сети.
Метод количественной полимеразной цепной реакции (qPCR), использующий руНК-гиды для амплификации известных последовательностей ARG, требует длительной разработки и проверки праймеров. Стандартная метагеномика, хотя и охватывает миллионы фрагментов ДНК, показывает низкую чувствительность, поскольку ARG составляют менее 1% (вероятнее около 0,1%) от общего генетического материала.
Разработанный исследователями из Carl R. Woese Institute for Genomic Biology метод CRISPR-обогащённой метагеномики использует систему CRISPR-Cas9 для целенаправленной фрагментации ARG. За счёт этого подхода фрагментация происходит в выбранных участках генов, что значительно повышает их концентрацию в анализируемых образцах.
В основу метода положен пул из 6010 направляющих РНК, позволяющих связываться с различными сайтами в ARG и направлять белок Cas9 к специфическим участкам. Это повысило чувствительность обнаружения, снизив порог с 10⁻⁴ до 10⁻⁵, и позволило выявить дополнительно 1189 ARG и 61 семейство генов в образцах сточных вод.
Проект реализован совместными усилиями University of Illinois Urbana-Champaign и Department of Microbiology, где профессор Helen Nguyen, аспирант Yuqing Mao (первый автор работы) и сотрудник Joanna Shisler внесли существенный вклад. Результаты исследования опубликованы в журнале Water Research.
«Впервые, когда я получил результаты секвенирования, я и не ожидал, что метод окажется настолько чувствительным по сравнению с обычными подходами — обнаружено значительно больше ARG, чем предполагалось. После завершения проекта я почувствовал, что стал взрослым», — отметил Yuqing Mao, преодолевший множество научных препятствий и освоивший новые методики.
Применение CRISPR-метагеномики открывает перспективы для комплексного мониторинга антибиотикорезистентности в окружающей среде. Планируется расширение исследования на другие экологические образцы и использование полученных данных для разработки новых qPCR-праймеров, что позволит значительно повысить эффективность наблюдения за угрозами общественному здравоохранению.
