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 difficile zu analysieren, einem besonders problematischen Krankheitserreger 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 charakteristische Symptome.
Die Ergebnisse der Forscher werden in der Online-Ausgabe 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 ungehindert wachsen zu lassen. Besonders gefährlich sind Infektionen bei älteren Menschen. Einer von 11 Menschen über 65 Jahren, bei denen ein Krankenhaus-assoziierter Fall von C. difficile diagnostiziert wird, stirbt innerhalb eines Monats, berichtet die CDC.
„C. diff ist hartnäckig und allgegenwärtig“, sagte der leitende Autor Jonathan M. Monk, Ph.D., ein Forschungswissenschaftler in der Systems Biology Research Group an der UC San Diego, geleitet von Bernhard O. Palsson, Ph.D., Professor in Bioingenieurwesen und außerordentlicher Professor an der UC San Diego School of Medicine. „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.“
Um die genetischen Merkmale von C. difficile besser zu verstehen – und somit Modelle zu entwickeln, die seine komplexe und konstante Entwicklung identifizieren und vorhersagen können – verwendeten die Forscher die Gesamtgenomsequenzierung, phänotypisches Hochdurchsatz-Screening und metabolische Modellierung von 451 Bakterienstämmen.
Diese Daten wurden verwendet, um ein „Pangenom“ oder einen ganzen Satz von Genen zu konstruieren, die für alle bekannten C. difficile-Stämme repräsentativ sind, aus denen sie 9.924 unterschiedliche Gencluster identifizierten, von denen 2.899 als Kern angesehen wurden (in allen Stämmen gefunden), während 7.025 waren „Zubehör“ (in einigen Stämmen vorhanden, aber in anderen nicht vorhanden).
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, Ph.D., Dozentin für Pathologie und Immunologie an der Baylor College für Medizin. „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 baute dann 451 stammspezifische genomische Modelle des Stoffwechsels, um rechnerisch die Phänotypdiversität unter 28.864 einzigartigen Bedingungen 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 in umfassende Systembiologie-Frameworks, die Analysen in großem Maßstab ermöglichen“, sagte Erstautor Charles J. Norsigian, Ph.D., Datenwissenschaftler im Bereich Systems Biology Research Gruppe. „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.“
Zu den Co-Autoren gehören Bernhard O. Palsson, UC San Diego; Heather A. Danhof, Colleen K. Brand, Firas S. Midani, Robert A. Britton und Tor C. Savidge, Baylor College of Medicine; und Jared T. Broddrick und Jennifer K. Spinier, NASA Ames Research Center.
Charles J. Norsigian et al., Systembiologischer Ansatz zur funktionellen Bewertung des Pangenoms von Clostridioides difficile enthüllt genetische Vielfalt mit Unterscheidungskraft, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2119396119