Forscher verwenden einen systembiologischen Ansatz, um die genetische Vielfalt von C. difficile zu analysieren

Forscher der University of California San Diego School of Medicine und der Jacobs School of Engineering haben zusammen mit Kollegen des Baylor College of Medicine einen systembiologischen Ansatz verwendet, um die genetische Vielfalt von CLostridioides difficileein besonders problematischer Erreger im Gesundheitswesen.

Die Centers for Disease Control schätzen, dass das Bakterium jährlich etwa 500.000 Infektionen in den Vereinigten Staaten verursacht, mit schwerem Durchfall und Kolitis (Entzündung des Dickdarms) als charakteristischen Symptomen.

Die Ergebnisse der Forscher werden in der Online-Ausgabe von vom 27. April 2022 veröffentlicht PNAS.

C. difficile ist die häufigste Ursache für Krankenhausinfektionen, teilweise durch den Einsatz von Antibiotika, die genügend gesunde Bakterien abtöten können, um C. difficile unkontrolliert wachsen zu lassen. Besonders gefährlich sind Infektionen bei älteren Menschen. Einer von 11 Personen über 65 Jahren, bei denen ein krankenhausassoziierter Fall von diagnostiziert wird C. difficile sterben innerhalb eines Monats, berichtet die CDC.

C. diff ist hartnäckig und allgegenwärtig. Es verursacht keinen typischen Durchfall. Die meisten Menschen erholen sich, aber einige werden schwer krank, müssen ins Krankenhaus eingeliefert werden und einige sterben an Komplikationen wie Nierenversagen oder Sepsis.

Jonathan M. Monk, PhD, leitender Autor, Forschungswissenschaftler in der Systems Biology Research Group an der UC San Diego, geleitet von Bernhard O. Palsson, PhD, Professor für Bioingenieurwesen und Assistenzprofessor an der UC San Diego School of Medicine

Um die genetischen Merkmale von besser zu verstehen C. difficile -; und so Modelle zu entwickeln, die seine komplexe und ständige Entwicklung identifizieren und vorhersagen können -; Die Forscher verwendeten Gesamtgenomsequenzierung, Hochdurchsatz-Phänotyp-Screening und metabolische Modellierung von 451 Bakterienstämmen.

Diese Daten wurden verwendet, um ein “Pangenom” oder einen ganzen Satz von Genen zu konstruieren, der für alle bekannten repräsentativ ist C. difficile Stämme, von denen sie 9.924 unterschiedliche Gencluster identifizierten, von denen 2.899 als Kern (in allen Stämmen gefunden) betrachtet wurden, während 7.025 “akzessorisch” waren (in einigen Stämmen vorhanden, aber in anderen fehlen).

Mit einer neuen Typisierungsmethode kategorisierten sie 176 genetisch unterschiedliche Gruppen von Stämmen.

„Die Typisierung durch akzessorisches Genom ermöglicht die Entdeckung neu erworbener Gene in Genomen von Krankheitserregern, die ansonsten mit Standardtypisierungsmethoden unbemerkt bleiben könnten“, sagte Co-Autorin Jennifer K. Spinler, PhD, Dozentin für Pathologie und Immunologie am Baylor College of Medicine . „Dies könnte entscheidend sein, um zu verstehen, was einen Ausbruch auslöst und wie man seine Ausbreitung bekämpfen kann.“

Fünfunddreißig Stämme, die den Gesamtsatz repräsentieren, wurden experimentell mit 95 verschiedenen Nährstoffquellen profiliert, was 26 unterschiedliche Wachstumsprofile offenbarte. Das Team erstellte dann 451 stammspezifische genomische Modelle des Stoffwechsels, um die Phänotypdiversität unter 28.864 einzigartigen Bedingungen rechnerisch zu erzeugen. Die Modelle konnten das Wachstum in 76 Prozent der gemessenen Fälle korrekt vorhersagen.

„Eine der Stärken der vorgestellten Arbeit ist die Kohäsion unterschiedlicher biologischer Datentypen zu umfassenden systembiologischen Rahmenwerken, die Analysen in großem Maßstab ermöglichen“, sagte Erstautor Charles J. Norsigian, PhD, Datenwissenschaftler in der Systems Biology Research Group. “Durch die Interpretation von Stämmen von C. difficile In einem Populationskontext konnten wir relevante Stammmerkmale in Bezug auf Nährstoffnischen, Virulenzfaktoren und antimikrobielle Resistenzdeterminanten ans Licht bringen, die andernfalls möglicherweise unentdeckt geblieben wären.

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Nordisch, CJ, et al. (2022) Der systembiologische Ansatz zur funktionellen Bewertung des Pangenoms von Clostridioides difficile zeigt genetische Vielfalt mit Unterscheidungskraft. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2119396119.

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