Чтобы лучше отслеживать, как эта устойчивость появляется и распространяется, ученые из Института геномной биологии Карла Р. Вуза придумали новый метод. Они используют метагеномику, усиленную технологией CRISPR, чтобы следить за генами устойчивости к антибиотикам (ARG) в сточных водах.

Результаты опубликованы в издании Water Research.

Антибиотики — это мощное оружие против инфекций, но бактерии умеют приспосабливаться. Со временем они меняются, и антибиотики перестают на них действовать. Проблема усугубляется тем, что антибиотики часто используют неправильно — как в медицине, так и в сельском хозяйстве.

Но дело не только в антибиотиках. Устойчивость передается между бактериями через маленькие кусочки ДНК, которые называются генами устойчивости к антибиотикам (ARG). Ученые уже нашли больше 5000 таких генов. Их можно обнаружить не только в больницах, но и в воде, которая поступает с ферм, из канализаций и других источников.

Гены устойчивости могут сделать бесполезными лекарства, которые спасают жизни, — говорит Хелен Нгуен, профессор гражданского и экологического строительства в Университете Иллинойса.

Если мы найдем такие гены в сточных водах, это поможет врачам и органам здравоохранения понять, какие угрозы есть в их регионе.

В сточных водах содержится огромное количество генетического материала — от людей, вирусов и бактерий. Гены устойчивости к антибиотикам — это лишь крошечная часть всей этой смеси. Чтобы их обнаружить, нужны очень точные методы. Самый популярный способ — это количественная полимеразная цепная реакция (qPCR). Он использует специальные «затравки» (праймеры), которые находят конкретные участки ДНК, связанные с ARG, и затем их копируют, чтобы легче было обнаружить.

qPCR — это точный метод, но он требует много времени и усилий, — говорит Юцин Мао, аспирантка и первый автор исследования. — К тому же, он фокусируется только на конкретных генах, а остальная ДНК остается неизученной.

Другой метод — метагеномика. Он не такой точный, как qPCR, зато позволяет увидеть всю генетическую информацию в образце. ДНК разбивают на миллионы мелких кусочков, которые затем анализируют с помощью современных технологий. Компьютерные программы собирают эти кусочки в целые последовательности и сравнивают их с базами данных, чтобы понять, что это за гены.

Гены устойчивости к антибиотикам составляют меньше 1% всей ДНК в образце, — объясняет Мао. — При обычной метагеномике 99,9% данных — это не то, что нам нужно.

Чтобы увеличить количество фрагментов, связанных с ARG, ученые использовали систему CRISPR-Cas9. Это инструмент, который обычно применяют для редактирования генов. В этом случае CRISPR-Cas9 разрезает ДНК именно в тех местах, где находятся гены устойчивости. Ученые создали набор из 6010 направляющих РНК, которые помогают белку Cas9 находить и разрезать нужные участки ДНК.

Наш метод увеличивает количество фрагментов ARG в образце, что делает их легче обнаруживаемыми, — говорит Мао. — CRISPR также позволяет анализировать сразу много генов, что сложно сделать с помощью qPCR.

Новый метод оказался в 10 раз чувствительнее обычной метагеномики. Он обнаружил на 1189 генов устойчивости больше и на 61 семейство ARG больше, чем стандартные методы.

Мао, которая начала этот проект как студентка, говорит:

Когда я получила первые результаты, я была поражена. Метод оказался намного точнее, чем я ожидала. Это был настоящий прорыв.

Сейчас Мао и Нгуен работают над тем, чтобы применить этот метод к другим образцам из окружающей среды. Они также хотят использовать полученные данные для создания новых праймеров для qPCR.

Ранее мы опубликовали 10 инноваций в сфере сбора и обработки сточных вод.