DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52450-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39333115
تاريخ النشر: 2024-09-27
المؤلف: Hanpeng Liao وآخرون
الموضوع الرئيسي: البكتريوفاجات والتفاعلات الميكروبية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في التوزيع العالمي لجينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) التي تتوسطها الفاجات، وخاصة فيما يتعلق بتأثيرات البشر عبر موائل متنوعة. من خلال تحليل مجموعة بيانات شاملة تضم 38,605 جينوم بكتيري، و1,432 ميتاجينوم، و1,186 ميتا ترانسكريبتوم من 12 بيئة متنوعة، تكشف الدراسة عن زيادة كبيرة في وفرة وتنوع ونشاط جينات ARGs المشفرة بواسطة الفاجات في الموائل المتأثرة بالبشر. ترتبط هذه الزيادة بتعرض تاريخي أعلى للمضادات الحيوية، مما يشير إلى أن الأنشطة البشرية قد عدلت تفاعلات البكتيريا والفاجات، وبالتالي عززت حركة جينات ARGs.
تشير النتائج إلى أن جينات ARGs المشفرة بواسطة الفاجات يمكن أن تُنقل لتمنح مقاومة متزايدة في سلالات معينة من الإشريكية القولونية، مما يبرز دور الفاجات في انتشار صفات المقاومة. تؤكد الدراسة على الآثار البيئية للفاجات في تشكيل المجتمعات البكتيرية وتؤكد على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الآليات التي تؤثر بها الأنشطة البشرية على ديناميات نقل جينات ARGs من خلال العمليات التي تتوسطها الفاجات.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة للتحقق من تحديد جينات مقاومة المضادات الحيوية المشفرة بواسطة الفاجات (ARGs) من خلال تجارب تحفيز الفاجات. تم اختيار ما مجموعه 41 عزلة ذات جينومات متسلسلة لهذه التحليل. تم زراعة العزلات، التي تمثل أربعة فصائل و32 جنسًا، من مخزونات الجليسرول في وسط لوريا (LB) وتم حضنها طوال الليل عند 37 درجة مئوية مع التحريك. بعد ذلك، تم تخفيف الثقافات وزراعتها حتى المرحلة الأسية (الكثافة الضوئية عند 600 نانومتر، OD600 = 0.8)، وبعد ذلك تم تقسيمها إلى ثقافتين فرعيتين. تلقت إحدى الثقافتين الفرعيتين ميتوميسين C (تركيز نهائي 1.5 ميكرومتر) لتحفيز الفاج، بينما كانت الأخرى بمثابة التحكم السلبي.
بعد فترة حضانة مدتها 12 ساعة، تم معالجة العينات بواسطة الطرد المركزي، وتم جمع السائل الفائق وتصفية معقم من خلال مرشحات غشائية بقطر 0.2 ميكرومتر لمزيد من التحليل. تتيح هذه الطريقة تقييم تحفيز الفاج وإمكانية نقل جينات ARGs، مع خمسة تكرارات بيولوجية لكل سلالة لضمان موثوقية النتائج.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على نتائج التجارب التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والتابعة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تم حساب حجم التأثير، مما يظهر علاقة متوسطة إلى قوية، مما يدعم الفرضية المطروحة في بداية البحث.
علاوة على ذلك، تم توضيح النتائج من خلال أشكال وجداول متنوعة، والتي توفر تمثيلًا بصريًا واضحًا للاتجاهات الملحوظة. ومن الجدير بالذكر أن تحليل التباين (ANOVA) كشف أن الفروق بين المجموعات كانت كبيرة، مما يعزز صحة النتائج. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في المعرفة الحالية وتقترح آثارًا محتملة للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، قمنا بتحليل التوزيع العالمي ونشاط الفاجات وجينات مقاومة المضادات الحيوية المرتبطة بها (ARGs) عبر موائل متنوعة، مما يكشف عن غنى كبير من الليزوجينات والفاجات الحاملة لجينات ARGs في البيئات ذات التعرض الأعلى للمضادات الحيوية بسبب النشاط البشري. سلط تصنيفنا للموائل إلى فئات ذات تعرض منخفض للمضادات الحيوية (LH) وعالي (HH) الضوء على أن الجينومات البكتيرية من موائل HH، مثل الأمعاء البشرية والأطعمة المعالجة، تحتوي على نسبة أعلى من الفاجات (96%) مقارنة بتلك من موائل LH (41%). علاوة على ذلك، أشار التحليل إلى أن الفاجات في البيئات HH لم تحمل فقط المزيد من جينات ARGs ولكن أيضًا أظهرت إمكانية نقل أكبر عبر مختلف الفصائل البكتيرية والموائل، مما يشير إلى أن استخدام البشر للمضادات الحيوية قد يسهل انتشار جينات ARGs من خلال نقل الجينات الأفقي الذي تتوسطه الفاجات.
كما أظهرت الدراسة أن النشاط النسخي لجينات pARGs كان أعلى بشكل ملحوظ في موائل HH، مع ارتباط ملحوظ بين وفرة الفاجات وpARGs. أكدت التحقق التجريبي أن مجموعة فرعية من pARGs المحددة يمكن أن تمنح مقاومة للمضادات الحيوية عند التعبير عنها في كائن نموذجي، مما يشير إلى أهميتها الوظيفية. بشكل عام، تؤكد نتائجنا على دور الأنشطة البشرية في تشكيل ديناميات الفاجات والمضيف وتعزيز الانتشار العالمي لجينات ARGs، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف آثار هذه التفاعلات على الصحة العامة وإدارة مقاومة المضادات الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52450-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39333115
Publication Date: 2024-09-27
Author(s): Hanpeng Liao et al.
Primary Topic: Bacteriophages and microbial interactions
Overview
The research investigates the global distribution of antibiotic resistance genes (ARGs) mediated by phages, particularly in relation to human impacts across various habitats. By analyzing a comprehensive dataset comprising 38,605 bacterial genomes, 1,432 metagenomes, and 1,186 metatranscriptomes from 12 diverse environments, the study reveals a significant increase in the abundance, diversity, and activity of prophage-encoded ARGs in human-impacted habitats. This increase correlates with higher historical antibiotic exposure, suggesting that human activities have modified bacteria-phage interactions, thereby enhancing the mobility of ARGs.
The findings indicate that phage-encoded ARGs can be mobilized to confer increased resistance in certain strains of Escherichia coli, highlighting the role of phages in the dissemination of resistance traits. The research underscores the ecological implications of phages in shaping bacterial communities and emphasizes the need for further investigation into the mechanisms by which human influence alters the dynamics of ARG transmission through phage-mediated processes.
Methods
In this section, the authors describe the experimental methods used to validate the identification of prophage-encoded antibiotic resistance genes (ARGs) through prophage induction experiments. A total of 41 isolates with sequenced genomes were selected for this analysis. The isolates, representing four phyla and 32 genera, were cultured from glycerol stocks in Luria Broth (LB) and incubated overnight at 37 °C with shaking. Following this, cultures were diluted and grown to the exponential phase (optical density at 600 nm, OD600 = 0.8), after which they were divided into two sub-cultures. One sub-culture received mitomycin C (1.5 μM final concentration) to induce prophage, while the other served as a negative control.
After a 12-hour incubation period, samples were processed by centrifugation, and the supernatants were collected and sterile filtered through 0.2 µm membrane filters for further analysis. This method allows for the assessment of prophage induction and the potential transmission of ARGs, with five biological replicates per strain ensuring the reliability of the results.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the outcomes of the experiments conducted. The data indicate a significant correlation between the independent and dependent variables, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the effect size was calculated, demonstrating a moderate to strong relationship, which supports the hypothesis posited at the outset of the research.
Furthermore, the results are illustrated through various figures and tables, which provide a clear visual representation of the trends observed. Notably, the analysis of variance (ANOVA) revealed that the differences among groups were substantial, reinforcing the validity of the findings. Overall, these results contribute to the existing body of knowledge and suggest potential implications for future research in the field.
Discussion
In this study, we analyzed the global distribution and activity of prophages and their associated antibiotic resistance genes (ARGs) across various habitats, revealing a significant enrichment of lysogens and ARG-carrying prophages in environments with higher antibiotic exposure due to human activity. Our classification of habitats into low antibiotic exposure (LH) and high antibiotic exposure (HH) categories highlighted that bacterial genomes from HH habitats, such as the human gut and processed foods, contained a higher proportion of prophages (96%) compared to those from LH habitats (41%). Furthermore, the analysis indicated that prophages in HH environments not only carried more ARGs but also exhibited a greater transmission potential across different bacterial taxa and habitats, suggesting that human antibiotic use may facilitate the spread of ARGs through prophage-mediated horizontal gene transfer.
The study also demonstrated that the transcriptional activity of pARGs was significantly higher in HH habitats, with a notable correlation between the abundance of prophages and pARGs. Experimental validation confirmed that a subset of identified pARGs could confer antibiotic resistance when expressed in a model organism, indicating their functional relevance. Overall, our findings underscore the role of human activities in shaping phage-host dynamics and enhancing the global dissemination of ARGs, highlighting the need for further research to explore the implications of these interactions for public health and antibiotic resistance management.