재프로그래밍된 박테리오파지에 의한 항생제 저항체의 특성 규명

자연 미생물학 8권, 410~423페이지(2023)이 기사 인용

10,000회 액세스

79 알트메트릭

측정항목 세부정보

기능적 메타유전체학은 환경에서 항생제 내성 유전자(ARG)를 식별하는 강력한 실험 도구이지만 적합한 숙주 박테리아 종의 범위는 제한되어 있습니다. 이러한 제한은 확인된 ARG의 범위와 임상적 관련성의 해석 모두에 영향을 미칩니다. 여기에서는 DEEPMINE(Reprogrammed Bacteriophage Particle Assisted Multi-species Functional Metagenomics)이라는 기능성 메타게놈 파이프라인을 제시합니다. 이 접근법은 T7 박테리오파지의 사용을 교환된 꼬리 섬유 및 표적 돌연변이 유발과 결합하고 개선하여 기능적 메타게놈학에 ​​대한 파지 숙주 특이성과 효율성을 확장합니다. 이러한 변형된 파지 입자는 임상적으로 관련된 박테리아 병원체에 대규모 메타게놈 플라스미드 라이브러리를 도입하는 데 사용되었습니다. 토양 및 장내 미생물 군집의 ARG와 13가지 항생제에 대한 임상 게놈을 스크리닝함으로써 우리는 이 접근법이 확인된 ARG 목록을 실질적으로 확장한다는 것을 입증합니다. 많은 ARG는 저항성에 종별 영향을 미칩니다. 그들은 한 박테리아 종에서는 높은 수준의 저항성을 제공하지만 관련 종에서는 매우 제한된 저항성을 나타냅니다. 마지막으로, 우리는 현재 임상 개발 중이거나 최근 승인된 항생제에 대한 모바일 ARG를 확인했습니다. 전반적으로 DEEPMINE은 미생물 군집 연구를 위한 기능적 메타게놈학 도구 상자를 확장합니다.

Metagenomics는 실험실 조건에서 배양할 수 없는 종을 포함하여 미생물 군집에 대한 철저한 분석을 가능하게 합니다. 연구자들은 환경 샘플에서 게놈 데이터를 추출함으로써 다양한 자연 환경에서 미생물군집의 종 구성과 기능에 대한 지식을 얻습니다1. 특히, 기능적 메타게놈학은 특정 분자 기능을 코딩하는 유전자의 존재에 대해 메타게놈 DNA를 스크리닝하는 데 전념합니다2,3,4. 박테리아 숙주에서 단편화된 메타게놈 DNA를 클로닝하고 발현시키면 이전에 설명되지 않은 단백질이 드러날 수 있습니다. 기능적 메타유전체학의 적용에는 효소 식별, 생리활성 물질 탐색 및 환경에 존재하는 항생제 내성 유전자 스크리닝이 포함됩니다5,6,7,8. 라이브러리에는 일반적으로 수천 개의 박테리아 게놈 크기인 5-100Gb의 전체 범위에 해당하는 수백만 개의 DNA 조각이 포함되어 있습니다.

기능적 메타유전체학은 잠재적으로 여러 연구 분야에 유용할 수 있지만 현재 형태로는 방법론이 완벽하지 않아 적용 가능성이 제한됩니다. 플라스미드 라이브러리의 엄청난 크기를 고려할 때 이러한 라이브러리를 박테리아 숙주에 효율적으로 도입하는 것이 가장 중요합니다. 그러나 일반적으로 전기천공법, 접합 또는 기존 박테리오파지 형질도입에 의한 이 과정은 번거롭고 제한된 범위의 실험실 균주에만 효율적입니다11,12. 이러한 제한은 기능적 메타게놈 화면의 적용 가능성과 도출할 수 있는 결론의 일반성에 광범위한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 특정 박테리아 종에서만 기능하는 생명공학적으로 또는 임상적으로 관련된 유전자에 대한 스크리닝을 방해합니다12,15,16. 특히 항생제 내성 유전자(ARG)에 대한 대부분의 메타게놈 스크린은 실험실 대장균을 박테리아 숙주로 사용하는 데 크게 의존합니다5,17,18. 따라서 이러한 균주에는 저항성을 제공하지 않지만 다른 임상적으로 관련된 병원체에서는 저항성을 제공하는 ARG는 감지할 수 없습니다. 실제로 이전 연구에 따르면 항생제 내성 돌연변이가 내성 표현형에 미치는 영향은 박테리아 숙주의 유전적 배경에 따라 달라집니다. 또한 여러 숙주 박테리아의 메타게놈 스크린은 ARG20의 종간 기능적 호환성 및 이동성에 대한 귀중한 정보를 제공할 수 있습니다.

본 논문에서는 이러한 문제에 대한 해결책을 제공하는 DEEPMINE(Reprogrammed Bacteriophage Particle Assisted Multi-species Functional Metagenomics)을 제시합니다(그림 1a). DEEPMINE은 서로 다른 유형의 박테리오파지 사이에서 꼬리를 교환하여 DNA 형질도입을 위한 T7 파지 입자의 숙주 범위를 확장하려는 이전 연구를 기반으로 합니다. DEEPMINE은 이러한 변형된 박테리오파지 형질전환 입자를 사용하여 대규모 메타게놈 플라스미드 라이브러리를 다양한 박테리아 종에 전달합니다. 또한 우리는 이러한 라이브러리 전달의 효율성을 높이기 위해 실험실 진화를 지시했습니다. 이 접근법을 사용하여 우리는 Enterobacteriaceae 계통의 임상적으로 관련된 박테리아 병원체에서 metagenomic 스크린을 수행했습니다. 우리는 이전에 보고되지 않은 몇 가지 ARG가 항생제 감수성에 대한 종별 영향을 확인했습니다. 또한, 우리는 최근에야 임상 용도로 승인되었거나 후기 임상 개발 단계에 있는 일련의 항생제를 연구했으며, 이러한 새로운 항생제가 수십 년의 임상 사용 후에도 기존 항생제와 마찬가지로 내성 형성 경향이 있음을 보여주었습니다(확장 데이터). 1 번 테이블).