A project-selection audit of public urinary-source Escherichia coli genomes from China distinguishes purpose-enriched NDM and mcr signals from CTX-M recurrence across projects

Bakterien entwickeln sich ständig weiter, und einer ihrer gefährlichsten Tricks ist es, zu lernen, die Medikamente zu überleben, die wir einsetzen, um sie zu töten. Wenn ein Bakterium wie Escherichia coli resistent gegen Antibiotika wird, kann es eine gewöhnliche Infektion, wie etwa eine Harnwegsinfektion, in einen lebensbedrohlichen Zustand verwandeln. Um diese Bedrohung zu verfolgen, sequenzieren Wissenschaftler auf der ganzen Welt den genetischen Code dieser Bakterien und speichern die Ergebnisse in riesigen öffentlichen Archiven. Stellen Sie sich diese Archive wie eine riesige Bibliothek bakterieller Baupläne vor, in der Forscher die genetische Geschichte von Infektionen aus verschiedenen Orten und Zeiten nachschlagen können. Doch wie jede Bibliothek ist die Sammlung nicht eine perfekte Zufallsstichprobe von allem, was existiert. Einige Bücher sind dort, weil sie selten und interessant sind, während andere dort sind, weil sie einen typischen Tag repräsentieren. Wenn ein Forscher nur die seltenen Bücher betrachtet, könnte er denken, die Welt sei voller Monster, während die Bibliothek in Wirklichkeit hauptsächlich aus gewöhnlichen Geschichten besteht. Den Unterschied zwischen einem seltenen, speziellen Fall und einem häufigen, wiederkehrenden Muster zu verstehen, ist entscheidend, um zu wissen, wie gefährlich eine bestimmte Art von Bakterium wirklich ist.

Ein Forschungsteam vom Ningbo Medical Center Lihuili Hospital beschloss, einen genauen Blick auf die öffentliche Bibliothek der E. coli-Genome aus China zu werfen, um zu sehen, wie die Sammlung zusammengestellt wurde. Sie sammelten 512 Bakteriengenome, die aus Urinproben stammten, einer häufigen Quelle für Infektionen. Anstatt nur zu zählen, wie viele Bakterien bestimmte Resistenzgene besaßen, untersuchten sie zuerst die „Geschichte“ hinter jeder Datengruppe. Sie stellten eine einfache, aber entscheidende Frage: Warum wurde genau diese spezifische Gruppe von Bakterien zur Sequenzierung ausgewählt? War es, weil die Forscher nach einer allgemeinen Stichprobe von Patienten suchten, oder suchten sie gezielt nach Bakterien, die bereits Anzeichen zeigten, gegen starke Medikamente resistent zu sein? Durch die Rückverfolgung der ursprünglichen Forschungsarbeiten und Projektunterlagen für jede Gruppe fanden sie heraus, dass die Bibliothek stark verzerrt war. Fast siebzig Prozent der Bakterien in der Sammlung stammten aus Studien, die speziell darauf ausgelegt waren, resistente Stämme zu finden. Dies waren keine zufälligen Schnappschüsse der Population; es waren gezielte Suchen nach den zähesten Keimen.

Diese Unterscheidung erwies sich als der Schlüssel, um das wahre Bild der Resistenz zu entschlüsseln. Die Forscher fanden heraus, dass die gefährlichsten Resistenzgene – jene, die es Bakterien ermöglichen, gegen Carbapeneme (eine Klasse von Reserveantibiotika) und Colistin (ein weiteres starkes Medikament) zu überleben – fast ausschließlich in diesen gezielten Studien konzentriert waren. Jedes einzelne Bakterium in der Sammlung, das das Gen für die Carbapenem-Resistenz trug, stammte aus einem Projekt, das explizit nach einer solchen Resistenz suchte. Ähnlich verhielt es sich mit den Genen für die Colistin-Resistenz: Fast alle Bakterien, die das Gen für die Colistin-Resistenz trugen, stammten aus denselben spezialisierten Sammlungen. Im Gegensatz dazu tauchte ein anderer Typ von Resistenzgen, der Bakterien gegen eine Gruppe von gängigen Antibiotika namens Cephalosporine resistent macht, in fast jedem Projekt auf, einschließlich derer, die nur allgemeine Patientenproben untersuchten. Dieses Gen war in fast der Hälfte der Bakterien aus den allgemeinen Sammlungen vorhanden und blieb auch dann noch häufig, wenn die Forscher die größten, am stärksten gezielten Studien aus ihrer Analyse entfernten. Dies zeigte den Wissenschaftlern, dass während die superresistenten Gene selten und in spezifischen Forschungsbemühungen konzentriert waren, das Cephalosporin-Resistenzgen ein weit verbreitetes, wiederkehrendes Problem war, das in der gesamten Bakterienpopulation existierte, unabhängig davon, wie die Daten erhoben wurden.

Die Studie untersuchte auch die Stammbäume dieser Bakterien, um zu sehen, ob bestimmte Abstammungslinien eher dazu neigten, diese gefährlichen Gene zu tragen. Sie fanden heraus, dass bestimmte genetische Familien, bekannt als Sequenztypen, sehr unterschiedliche Persönlichkeiten hatten. Zwei Familien, ST410 und ST167, waren die primären Wirte für die Carbapenem-Resistenzgene und fungierten als die Hauptträger dieser superresistenten Eigenschaften. Eine andere zwei Familien, ST131 und ST1193, waren eher mit der Resistenz gegen Fluorchinolone und dem weit verbreiteten Cephalosporin-Resistenzgen assoziiert, trugen aber selten die Carbapenem-Resistenzgene. Die Forscher untersuchten auch die genetischen Nachbarschaften, in denen diese Resistenzgene lebten. Sie entdeckten, dass das Carbapenem-Resistenzgen normalerweise auf einem spezifischen Typ eines mobilen genetischen Fahrzeugs zu finden war, ähnlich einem Plasmid, das wie ein Lieferwagen für Resistenzen fungiert. Das Colistin-Resistenzgen wurde auf anderen „Lieferwagen“ gefunden. Dies half ihnen zu verstehen, dass diese gefährlichen Merkmale nicht einfach zufällig herumschwebten, sondern auf spezifischen genetischen Strukturen „mitreisten“, die sich zwischen Bakterien bewegten.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Art und Weise, wie wir öffentliche Daten betrachten, genauso wichtig ist wie die Daten selbst. Wenn man einfach nur die Anzahl der resistenten Bakterien in einem öffentlichen Archiv zählt, ohne zu prüfen, warum sie gesammelt wurden, könnte man ein verzerrtes Bild der Bedrohung erhalten. Das Archiv ist voll von konzentrierten Signalen der gefährlichsten Resistenzen, weil Wissenschaftler aktiv nach ihnen suchen, aber es enthält auch ein stetiges, wiederkehrendes Signal der häufigeren Resistenzen, die in der allgemeinen Population existieren. Durch die Prüfung des Zwecks jeder Studie und die Kombination mit einem detaillierten Blick auf die Bakteriengenetik war das Team in der Lage, die seltenen, konzentrierten Bedrohungen von den häufigen, weit verbreiteten zu trennen. Dieser Ansatz hilft Wissenschaftlern, die wahre Zusammensetzung der Bakterienwelt zu verstehen, damit sie, wenn sie ein Muster in den Daten sehen, wissen, ob es sich um Anzeichen einer weit verbreiteten Epidemie oder einfach um das Ergebnis einer sehr gezielten Suche handelt.