Борьба с инфекциями Clostridioides difficile, являющимися доминирующей причиной больничных инфекций, заболеваемость и смертность от которых растет во всем мире, осложняется частым появлением новых вирулентных штаммов.
Исследователи из Калифорнийского университета использовали подход системной биологии для анализа генетического разнообразия Clostridioides difficile, особенно проблемного патогена в учреждениях здравоохранения. По оценкам Центров по контролю заболеваний США, эта бактерия ежегодно вызывает около 500 000 инфекций только в США, характерными симптомами которых являются тяжелая диарея и колит. Результаты исследования опубликованы в онлайновом выпуске PNAS от 27 апреля 2022 года.
C. difficile является наиболее распространенной причиной инфекций, ассоциированных с медицинскими учреждениями, отчасти из-за использования антибиотиков, которые могут убить достаточное количество полезных бактерий, чтобы позволить C. difficile бесконтрольно расти. Инфекции особенно опасны для пожилых людей. Один из 11 человек старше 65 лет, у которых диагностирован случай заболевания C. difficile, связанный с больницей, умирает в течение одного месяца, сообщает CDC.
"C. difficile - это постоянный и распространенный микроорганизм", - говорит старший автор исследования Джонатан М. Монк. "Он не вызывает типичной диареи. Большинство людей выздоравливают, но некоторые серьезно заболевают, нуждаются в госпитализации, а некоторые умирают от таких осложнений, как почечная недостаточность или сепсис".
Чтобы лучше понять генетические особенности C. difficile - и, таким образом, разработать модели, способные выявить и предсказать его сложную и постоянную эволюцию - исследователи использовали полногеномное секвенирование, высокопроизводительный фенотипический скрининг и метаболическое моделирование 451 штамма бактерий. Эти данные были использованы для создания "пангенома" или полного набора генов, представляющих все известные штаммы C. difficile, из которого они выделили 9 924 различных кластера генов, из которых 2 899 рассматривались как основные (встречающиеся во всех штаммах), а 7 025 - как "вспомогательные" (присутствующие в некоторых штаммах, но отсутствующие в других). Используя новый метод типирования, они выделили 176 генетически различных групп штаммов.
"Типирование по генам принадлежности позволяет обнаружить в геномах патогенов вновь приобретенные гены, которые могут остаться незамеченными при использовании стандартных методов типирования", - говорит Монк. "Это может иметь решающее значение для понимания того, что является причиной вспышки и как бороться с ее распространением".
Тридцать пять штаммов, представляющих общую группу, были экспериментально профилированы на 95 различных источниках питательных веществ, что позволило выявить 26 различных профилей роста и уникальные предпочтения в питательных веществах; была построена 451 модель метаболизма в масштабе генома для конкретного штамма, что позволило вычислить фенотипическое разнообразие в 28 864 уникальных условиях. Модели создают механистическую связь между наблюдаемыми фенотипами и генетическими различиями, характерными для конкретного штамма, и демонстрируют способность правильно предсказывать рост в 76% случаев.
"Одной из сильных сторон данной работы является объединение различных типов биологических данных в комплексные рамки системной биологии, которые позволяют проводить масштабный анализ", - объясняет Монк. "Интерпретируя штаммы C. difficile в контексте популяции, мы смогли выявить важные особенности штаммов, касающиеся питательной ниши, факторов вирулентности и детерминант резистентности к противомикробным препаратам, которые иначе могли бы остаться незамеченными".
