Vadovaujant DTU Nacionaliniam maisto institutui, mokslininkai iš 11 Europos universitetų, institucijų ir žinių organizacijų sukūrė naują nuotekų monitoringo duomenų analizės metodą. Šis metodas gali padėti nustatyti, ar ligas sukeliančios bakterijos, virusai ir atsparumas antimikrobinėms medžiagoms kyla iš žmonių, gyvūnų, pramonės ar aplinkos.
Vienu metu galima aptikti tūkstančius grėsmių, įskaitant atsparumą antimikrobinėms medžiagoms ir choleros bakterijas, kurios gali padėti išvengti ligų protrūkių peraugimo į epidemijas. Tyrimas buvo paskelbtas m Gamtos komunikacijos.
Tyrėjai analizavo mėginius, surinktus per trejus metus iš septynių nuotekų valymo įrenginių penkiuose didžiuosiuose Europos miestuose: Bolonijoje, Budapešte, Kopenhagoje, Romoje ir Roterdame.
„Nevalytos nuotekos vis dažniau tampa gyvybiškai svarbiu anoniminio sveikatos ir ligų stebėjimo šaltiniu didelėse miestų populiacijose. Tačiau iš jų išgauti vertingus duomenis nėra paprasta, nes nuotekose yra ir žinomų, ir nežinomų bakterijų iš įvairių šaltinių, pavyzdžiui, žmonių. augalai, gyvūnai, lietaus vanduo, indų plovimas ir kt.“, – sako atitinkamas tyrimo autorius, docentas Patrickas Munkas iš DTU Nacionalinio maisto instituto.
Be to, nuotekų turinys gali skirtis dėl sezoninių temperatūros pokyčių.
Šiuos iššūkius mokslininkai pradeda įveikti naudodami naują kompiuterinę programą.
„Mūsų tyrimai rodo didelį potencialą metagenomika pagrįstoje nuotekų stebėsenoje. Nors šis metodas yra brangesnis nei PGR tyrimas, kuris pasirodė labai veiksmingas COVID-19 pandemijos metu, PGR vienu metu tikrinama tik viena grėsmė. Metagenomika pagrįsta nuotekų stebėjimas gali vienu metu įvertinti tūkstančius grėsmių.
„Be to, kiekvieno atskiro mėginio vertė didėja, kuo daugiau mėginių surenkama laikui bėgant, nes istoriniai duomenys padidina naujų analizių vertę“, – sako profesorius Frankas Aarestrupas, vadovaujantis DTU Nacionalinio maisto instituto genetinės epidemiologijos tyrimų grupei ir bendradarbiaujantis. parašė straipsnį.
Galima būtų numatyti stebėjimo sistemą, kuri apjungtų metagenomika pagrįstą nuotekų stebėjimą su PGR tyrimais, siekiant nustatyti konkrečias grėsmes, kurios, valdžios manymu, gali atsirasti.
Tyrimas ypač aktualus, nes ES direktyva įpareigoja visus didžiuosius Europos miestus pradėti stebėti nuotekų atsparumą antimikrobinėms medžiagoms. Danijoje Statens Serum Institut vadovauja dideliam Europos bendradarbiavimui įgyvendinant šį nuotekų monitoringą.
Cholera Kopenhagoje
Vamzdžiuose, vedančiuose į Avedøre nuotekų valymo įrenginį, yra paslėptos bakterijos, kurių mokslininkai nesitikėjo rasti: choleros bakterijos. Nors kiekiai buvo labai maži, mokslininkams tai buvo didelė staigmena, nes jie tyrė bakterijas penkių didžiųjų Europos miestų nuotekų valymo įrenginiuose, įskaitant tris dideles Kopenhagos gamyklas: Avedøre nuotekų valymo įrenginį, Lynetten nuotekų valymo įrenginį ir Damhusåeną. Nuotekų valymo įrenginys.
Galima įsivaizduoti, kad bakterijas į Avedøre įstaigos vietinę teritoriją atnešė žmogus iš tos pasaulio dalies, kur cholera vis dar užkrečia žmones. Šis asmuo turėjo bakterijų savo kūne ir išmatų į kanalizaciją, o po to bakterijos nusėdo vamzdžiuose prie valymo įrenginių ir ten pradėjo daugintis. Tyrėjai pastebėjo, kad bakterijos išliko netoli objekto savaitę po savaitės, tačiau jų negalima rasti toliau prieš srovę.
Todėl jie teigia, kad bakterijos nepertraukiamai patenka iš žmonių, kurie šiuo metu serga, bet gyvena ant vamzdžių esančioje bioplėvelėje. Danijoje 150 metų neužregistruota nė vieno choleros atvejo, o bakterijos į aplinką nepaplito. Tačiau aukštesnė temperatūra gali turėti įtakos choleros ir kitų potencialiai pavojingų mikrobų geografiniam išplitimui.
Naujasis tyrimo metodas gali nustatyti, iš kur atsiranda tam tikros bakterijos, ir nors trijų Kopenhagos gamyklų bakterijų DNR yra beveik identiška, vis dar yra nedidelių skirtumų, suteikiančių kiekvienam augalui savo unikalų parašą.
Choleros bakterijų buvimas netoli Avedøre objekto aprašytas atskirame moksliniame straipsnyje, kuris taip pat kyla iš šio tyrimo ir buvo paskelbtas žurnale Mikrobų ekologija.
Programinė įranga suskirsto didelius duomenų rinkinius į paslaptingas grupes
Per trejus metus, nuo 2019 m. sausio mėn. iki 2021 m. lapkričio mėn., iš septynių nuotekų įrenginių įvadų buvo paimti 278 nuotekų mėginiai, kurie išsiųsti į DTU. Tada mokslininkai išanalizavo milijardus DNR sekų iš mėginių, sujungdami jas į genomus iš tūkstančių bakterijų rūšių, iš kurių 1334 anksčiau buvo nežinomos.
Duomenys buvo analizuojami naudojant programinę įrangą, kurią sukūrė projekto partneris iš Italijos Bolonijos universitete. Ši programa nustato rūšis, kurios laikui bėgant elgiasi panašiai, ir jas sugrupuoja.
„Atliekant analizes galėjome pastebėti, kad bakterijos nuotekose susitelkė į labai skirtingas grupes. Pradėjome domėtis, kodėl ir kaip susidarė grupės. Iš pradžių manėme, kad klasteriai gali atstovauti tarpusavyje bendradarbiaujančius mikrobus, bet tai buvo Tada mes ištyrėme, ar kai kurios grupės gali būti sudarytos iš bakterijų iš žmogaus išmatų, ir tada mes pasiekėme tašką“, – sako Munkas.
Paaiškėjo, kad kitos grupės yra bakterijos iš aplinkos, o viena grupė, esanti visų šalių valymo įrenginiuose, greičiausiai yra iš bioplėvelių, augančių ant vamzdžių, vedančių į įrenginius.
Kai tyrėjai nustatė kai kurias grupes naudodami analizės programinę įrangą, užduotis tapo lengvesnė.
„Principas yra gana paprastas – tam tikros bakterijos visada yra iš žmonių, o bakterijos, kurios seka jų seką analizėje, greičiausiai taip pat yra iš žmonių. Tokiu būdu galime nustatyti rūšių grupes, kurios laikui bėgant seka viena kitą”, – sakoma pranešime. Munkas.
Kas yra metagenomas?
Visi gyvi organizmai turi genetinę medžiagą (genomą), sudarytą iš DNR. Nuotekose ir kituose mėginiuose yra daug įvairių mikrobų rūšių, įskaitant bakterijas ir virusus. Kai iš šių rūšių išskiriate mišrią DNR, turite ne tik vieną genomą, bet ir metagenomą. Jei kiekvienos rūšies genomas yra kaip dėlionė, tai metagenomas yra kaip visa krūva sumaišytų dėlionių.
Metagenomai gali atsakyti į klausimus apie tai, kurie organizmai buvo ir kaip jie buvo paplitę, todėl jie yra vertinga priemonė stebėti ligas sukeliančias bakterijas ir genus, dėl kurių jos atsparios antibiotikams. Iš kiekvieno mėginio nuskaitoma milijonai DNR fragmentų, o daug mėginių gali būti išanalizuoti superkompiuteriu.
Naujas metodas žymiai pagerina sėkmės rodiklį
Mokslininkai anksčiau išanalizavo metagenomas, bet ne taip efektyviai, kaip naudojant naują metodą.
„Šiame naujame tyrime nuotekose nustatėme 1334 anksčiau nežinomas bakterijų rūšis. Paprastai analizuodami metagenomą, susidedantį iš 100 milijonų mažų DNR gabalėlių, galime nustatyti tik apie 10% DNR kilmę. naujame tyrime padidinome iki beveik 70% DNR, priskirtos rūšiai, iš kurios atkūrėme genomą“, – sako Munkas.
Gebėjimas aptikti naujas bakterijas yra būtinas, nes šios bakterijos gali turėti anksčiau nežinomų antimikrobinio atsparumo genų, o šis metodas gali atskleisti naujus atsparumo antimikrobinėms medžiagoms šaltinius.
Tai yra stebėjimo tyrimas, kurio metu mokslininkai dirbo su duomenimis, pagrįstais bakterijomis, kurios buvo nevalytų nuotekų mėginiuose, tačiau jie patys nekoregavo jokių kintamųjų, galinčių turėti įtakos konkrečių bakterijų dažniui. Tai sukelia tam tikrą netikrumą ir, nors daugelis su žmonėmis susijusių bakterijų susitelkia kartu, tai ne visada atsitinka.
Kitas žingsnis yra sukurti sintetinį duomenų rinkinį, kuriame mokslininkai žinotų, kurios bakterijų rūšys yra, ir aktyviai keičia sąlygas, kad būtų galima stebėti rezultatus.
„Kol kas neturime galutinio šio metodo sėkmės rodiklio, tačiau akivaizdu, kad turime kažką reikšmingo. Turime toliau optimizuoti metodą, kad pagerintume jo tikslumą”, – sako Munkas.