Specii noi sunt în jurul nostru!

În stânga: Heba Shabaan, student în anul III la medicină la Colegiul de Medicină Weill Cornell și Dr. Christopher Mason se pregătește să tamponeze microbii în sistemul de metrou din New York pe 21 iunie 2020. Dreapta: Un platan rotativ de metrou este tamponat. Credit: Weill Cornell Medicine

Aproximativ 12.000 de bacterii și viruși colectați într-o eșantionare de sisteme de transport public și spitale din întreaga lume între 2015 și 2017 nu au fost niciodată identificate anterior, potrivit unui studiu realizat de MetaSUB International Consortium, un efort global de urmărire a microbilor condus de cercetătorii Weill Cornell Medicine .

Pentru studiu, publicat în 26 mai 2021, în jurnal Celula, cercetătorii internaționali au colectat aproape 5.000 de eșantioane pe o perioadă de trei ani în 60 de orașe din 32 de țări și șase continente. Cercetătorii au analizat probele folosind o tehnică de secvențiere genomică numită secvențierea pistolelor pentru a detecta prezența diferiților microbi, inclusiv bacterii, arhee (organisme unicelulare care diferă de bacterii) și viruși care utilizează ADN ca material genetic al acestora. (Alte tipuri de viruși care utilizează ARN ca material genetic al acestora, ca SARS-CoV-2, virusul care cauzează COVID-19, nu ar fi fost detectat cu metodele de analiză ADN utilizate în acest studiu pre-pandemic.)

Acest domeniu de cercetare are implicații importante pentru detectarea cazurilor de infecții cunoscute și necunoscute și pentru studierea prevalenței microbilor rezistenți la antibiotice în diferite medii urbane.

„De fiecare dată când vă așezați în metrou, este probabil să faceți naveta cu o specie complet nouă”, spune autorul principal Dr. Christopher Mason, codirector al Inițiativei WorldQuant pentru predicții cantitative și profesor de fiziologie și biofizică în medicina Weill Cornell. Mason este, de asemenea, co-fondator și consultant plătit al Biotia și Onegevity Health și un vorbitor plătit pentru WorldQuant LLC.

Studiul actual a dus la descoperirea a 10.928 de viruși și 748 de bacterii care nu sunt prezente în nicio bază de date de referință.

Mason a fondat MetaSUB (prescurtare pentru Metagenomics and Metadesign Subways and Urban Biomes) în 2015, alături de Dr. Evan Afshin, la vremea respectivă, era licențiat la Colegiul de Onoare de la Macaulay de la Queen’s College și acum un clinician în fiziologie și biofizică la Weill Cornell Medicine, consultant plătit pentru Onegevity Health. Studiul nou lansat a fost condus de Mason, Dr. David Danko, doctorand al școlii postuniversitare Weill Cornell în laboratorul lui Mason în timpul studiului, și Daniela Bezdan, care la acea vreme era asociat de cercetare în biomedicină computațională la Weill Cornell Medicine.

Prin colectarea de probe de microbi și analizarea genelor acestora – cunoscute colectiv sub numele de microbiom – cercetătorii speră să afle mai multe despre bacteriile, virușii și alte microorganisme care trăiesc la om. De exemplu, cercetarea poate ajuta la identificarea apariției tulpinilor rezistente la antibiotice. Prezicerea rezistenței la antibiotice numai din secvențele genetice este o provocare, dar cercetătorii au reușit să cartografieze unele gene cunoscute ca fiind asociate cu rezistența, să cuantifice abundența lor și să confirme capacitatea markerilor genetici de a conferi rezistență. Au descoperit că unele orașe au mai multe gene de rezistență decât altele și că unele dintre aceste gene pot avea semnături specifice orașului.

Rezistența la antimicrobiene continuă să fie o provocare majoră la nivel global pentru sănătate. „Deși sunt necesare cercetări suplimentare, acest set de date demonstrează valoarea și potențialul cartografierii și monitorizării microbiomilor, precum și cunoștințele pe care le poate oferi medicilor, oamenilor de știință și oficialilor din domeniul sănătății publice”, a spus Afshin.

În plus, învățarea despre moleculele mici și proteinele produse de microbi ar putea duce, de asemenea, la descoperirea de noi antibiotice, precum și a altor molecule care au potențialul de a fi dezvoltate ca medicamente. Multe antibiotice și medicamente utilizate în prezent au fost derivate din surse microbiene. Descoperirile făcute despre noile specii microbiene ar putea duce, de asemenea, la noi instrumente și metode de laborator, cum ar fi noi modalități de utilizare a instrumentului de editare moleculară numit CRISPR. În acest studiu, cercetătorii au descoperit 838.532 de noi matrice CRISPR – biți de ADN viral găsite în bacterii – și 4,3 milioane de noi peptide (proteine ​​mici).

Datorită acestor eforturi de eșantionare, Mason a spus că poate prezice cu aproximativ 90% precizie unde locuiește o persoană, doar prin secvențierea ADN-ului pe pantofi. S-a constatat că mulți factori influențează microbiota unui oraș, inclusiv densitatea populației și populația generală, altitudinea, apropierea de ocean și climă. Descoperirile despre aceste semnături specifice pot permite viitoare studii medico-legale.

„Un microbiom conține ecouri moleculare de unde a fost colectat. Un eșantion de coastă poate conține microbi iubitori de sare, în timp ce un eșantion de oraș dens populat poate prezenta o biodiversitate impresionantă ”, spune Danko.

Mason și Afshin au început să colecteze și să analizeze probe microbiene în sistemul de metrou din New York în 2013. După publicarea primelor lor descoperiri, denumite PathoMap, au fost contactați de cercetători din întreaga lume care doreau să facă studii similare pentru propriile lor orașe. Interesul internațional a inspirat laboratorul lui Mason să creeze MetaSUB și a recrutat-o ​​pe Daniela Bezdan ca director de cercetare.

„Au fost necesare protocoale, logistică și acorduri de cooperare acceptate la nivel internațional cu oameni de știință, furnizori, birouri guvernamentale și fundații umanitare pentru potențial 100 de orașe din 20 de țări”, a spus Bezdan.

Astăzi MetaSUB continuă să crească și sa extins pentru a colecta probe de ARN și ADN din aer, apă și canalizare, precum și suprafețe dure. Acest lucru a dus la o subvenție de 5 milioane de dolari pentru secvențierea apelor uzate și urmărirea virală în trei provincii (Florida, New York și Wisconsin) și face parte din noul Centrul pentru Controlul și Prevenirea Bolilor Sistemul Național de Supraveghere a Apelor Reziduale (NWSS)

Grupul supraveghează, de asemenea, proiecte precum Global City Sampling Day (gCSD), care se desfășoară anual pe 21 iunie, și a făcut studii ample, inclusiv analize microbiene cuprinzătoare ale Rio de Janeiro înainte, în timpul și după Jocurile Olimpice de vară 2016. Multe dintre probele analizate în studiul actual a fost colectat în Ziua Eșantionării Orașelor Globale din 2016 și 2017. Un efort de eșantionare din New York a fost realizat cu sprijinul Centrului Weill Cornell pentru Medicină Clinică și Translațională (CTSC), în colaborare cu managerul de programe CTSC senior Jeff Zhu. Mason și colegii săi se pregătesc în prezent pentru evenimentul din acest an.

„Când am început în 2015, consorțiul era format din 16 orașe; șase ani mai târziu avem peste 100 de orașe. Este minunat să ai acest grup de colegi cercetători curioși, auto-inițiați și entuziaști ”, a spus Mason, care este, de asemenea, profesor de genomică computațională în biomedicină computațională la Institutul HRH Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Al-Saud Institute for Computational Biomedicine Weill Cornell Medicine.

„Deși eșantioanele sunt colectate la nivel mondial, o mare parte din analize se face aici în New York City la Weill Cornell Medicine”, a spus Mason. Analiza și colectarea secvențelor au utilizat, de asemenea, supercomputerele Bridges și Bridges-2, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) de la Pittsburgh Supercomputing Center. Cercetătorii MetaSUB din Elveția (doctorii Andre Kahles și Gunnar Rätsch) au folosit aceste servicii și date brute pentru a construi un portal global de secvențiere a ADN-ului (MetaGraph) care să poată căuta toate secvențele genetice cunoscute (inclusiv datele MetaSUB). Portalul mapează orice element genetic cunoscut sau nou descoperit de locația lor pe Pământ și poate ajuta la descoperirea de noi interacțiuni microbiene și funcții presupuse.

Izolarea ADN a probelor a fost în mare parte efectuată cu sprijinul Zymo Research și Promega și a fost secvențiată în colaborare cu Dr. Shawn Levy la Institutul de Biotehnologie HudsonAlpha, Dr. Klas Udekwu de la Universitatea din Stockholm și Centrul de genom din New York. Studiile viitoare și în curs de desfășurare se vor uita la ARN și ADN cu lecturi lungi și metode de imagistică spațială, precum și urmărirea metaboliților de pe siturile globale și vor continua să actualizeze harta genetică la scară planetară.

Referință: „O hartă metagenomică globală a microbiomilor urbani și a rezistenței antimicrobiene” de David Danko, Daniela Bezdan, Evan E. Afshin, Sofia Ahsanuddin, Chandrima Bhattacharya, Daniel J. Butler, Kern Rei Chng, Daisy Donnellan, Jochen Hecht, Katelyn Jackson, Katerina Kuchin, Mikhail Karasikov, Abigail Lyons, Lauren Mak, Dmitry Meleshko, Harun Mustafa, Beth Mutai, Russell Y. Neches, Amanda Ng, Olga Nikolayeva, Tatyana Nikolayeva, Eileen Png, Krista A. Ryon, Jorge L. Sanchez, Heba Shaaban , Maria A. Sierra, Dominique Thomas, Ben Young, Omar O. Abudayyeh, Josue Alicea, Malay Bhattacharyya, Ran Blekhman, Eduardo Castro-Nallar, Ana M. Cañas, Aspassia D. Chatziefthimiou, Robert W. Crawford, Francesca De Filippis, Youping Deng, Christelle Desnues, Emmanuel Dias-Neto, Marius Dybwad, Eran Elhaik, Danilo Ercolini, Alina Frolova, Dennis Gankin, Jonathan S. Gootenberg, Alexandra B. Graf, David C. Green, Iman Hajirasouliha, Jaden JA Hastings, Mark Hernandez , Gregorio Iraola, Soojin Jang, Andre Ka hle s, Frank J. Kelly, Knights of Kaymisha, Nikos C. Kyrpides, Pawel P. Labaj, Patrick KH Lee, Marcus HY Leung, Per O. Ljungdahl, Gabriella Mason-Buck, Ken McGrath, Cem Meydan, Emmanuel F. Mongodin , Milton Ozorio Moraes, Niranjan Nagarajan, Marina Nieto-Caballero, Houtan Noushmehr, Manuela Oliveira, Stephan Ossowski, Olayinka O. Osuolale, Orhan Özcan, David Paez-Espino, Nicolás Rascovan, Hugues Richard, Gunnar Rätsch, Lynn M. Sch. Osman U. Sezerman, Leming Shi, Tieliu Shi, Rania Siam, Le Huu Song, Haruo Suzuki, Denise Syndercombe Court, Scott W. Tighe, Xinzhao Tong, Klas I. Udekwu, Juan A. Ugalde, Brandon Valentine, Dimitar I. Vassilev , Elena M. Vayndorf, Thirumalaisamy P. Velavan, Jun Wu, María M. Zambrano, Jifeng Zhu, Sibo Zhu, Christopher E. Mason și MetaSUB International Consortium, 26 mai 2021, Celula.
DOI: 10.1016 / j.cell.2021.05.002

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.