Praćenje širenja gena za rezistenciju na antibiotike

Autor: Mislav Acman

Sve funkcije koje obavljaju živi sustavi, njihova tkiva i stanice kodirane su genima. Uobičajeno, geni se prenose s roditelja na potomke u procesu koji je poznat kao vertikalno nasljeđivanje. Međutim, u svijetu mikroba postoji i drugi način — horizontalni prijenos gena. Horizontalno nasljeđivanje omogućuje bakterijama da podijele genetske informacije s drugim organizmima, uključujući one unutar iste ili različite bakterijske vrste. To omogućuje bakterijama da prenesu gene potrebne za preživljavanje u teškim životnim uvjetima, kao što su metabolički geni, geni za proizvodnju ili razgradnju toksina i geni za otpornost na teške metale. Isto tako olakšava i širenje nama štetnih gena poput gena virulencije i gena za rezistenciju na antibiotike.

Geni za rezistenciju na antibiotike predstavljaju značajan problem jer čine antibiotike neučinkovitima, što znatno otežava liječenje zaraznih bolesti. Mehanizam horizontalnoga prijenosa gena uključuje razmjenu genetskog materijala putem plazmida, koji su jedan od glavnih pokretača brzog širenja gena za rezistenciju na antibiotike među bakterijskim populacijama. Plazmidi su male, kružne i mobilne molekule DNA koje postoje izvan bakterijskog kromosoma. Plazmidi imaju ključnu ulogu u olakšavanju brze razmjene genetskih svojstava što omogućava bakterijama stjecanje novih sposobnosti kao odgovor na okolišne pritiske.

Znanstvenici mogu iskoristiti dostignuća iz domene bioinformatike kako bi pratili i analizirali globalno širenje gena za rezistenciju na antibiotike i pripadajućih plazmida pomoću kojih se isti šire. Tijekom desetljeća, prikupljena je pozamašna količina genetskih podataka iz bakterijskih genoma, koji se pohranjuju u bazama podataka poput Nacionalnog centra za biotehnološke informacije (NCBI) ili Europskog bioinformatičkog instituta (EBI). Provodeći komparativne analize nad tim podacima, istraživači mogu pratiti obrasce izbijanja i širenja gena za rezistenciju na antibiotike diljem svijeta. Primjerice, sekvence plazmida i genetske informacije koje nose mogu se prikazati kao mreža (graf), pružajući tako uvid u obrasce prijenosa. Ova mreža bakterijskih plazmida otkriva koji sojevi i vrste bakterija najčešće dijele genetske informacije. Isto tako, identificira centralne čvorove u mreži, ukazujući na bakterijske sojeve koje imaju ključnu ulogu u posredovanju plazmidima, a time i širenju gena za rezistenciju na antibiotike.

Slika 1. Mreža plazmida; 10 696 plazmida povezanih ponderiranim rubovima gdje gradijent boja u sivim tonovima određuje sličnost Jaccardovog indeksa (JI). JI se izračunava kao udio zajedničkih fragmenata sekvence između parova plazmida s tamnijom nijansom koja ukazuje na veću sličnost. Gradijent boje čvorova označava GC sadržaj plazmida. Ovaj prikaz grupiranja plazmida prema njihovom GC sadržaju sugerira postojanje razlučive strukture unutar populacije plazmida. [Izvor: https://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/10146035/]

Patogene proteobakterije, poput E. coli, Klebsielle i Salmonelle, često dijele plazmide među sobom. Međutim, većina prijenosa plazmida događa se unutar srodnih bakterijskih vrsta koje pripadaju istom rodu. To sugerira da postoje dodatni mehanizmi ili posrednici odgovorni za prijenos gena između genetski različitih skupina bakterija.

Jedni od najznačajnijih takvih posrednika su pokretni genetski elementi, tzv. transpozoni. To su segmenti DNA unutar kromosoma ili plazmida koji su sposobni izrezati i kopirati se ili pomaknuti u drugi plazmid/kromosom. Drugim riječima, transpozoni mogu se kretati između različitih plazmida, te sa sobom prenijeti i druge gene. To omogućuje premještanje gena rezistencije na različite plazmidne okosnice, a time i širenje u druge manje srodne bakterijske domaćine.

Slika 2. Elektronska mikrografija puknuća stanice E. coli kako bi se oslobodila njezin DNA. [Izvor: https://www.biology-pages.info/R/RecombinantDNA.html]

Razumijevanje dinamike plazmida, uključujući i transpozone, kao i druge mehanizme koji potiču širenje gena za rezistenciju na antibiotike, ključni su za razvoj učinkovitih strategija za suzbijanje otpornosti na antibiotike. Analizom podataka dobivenih putem bioinformatičkih pristupa, istraživači mogu identificirati potencijalne točke intervencije i osmisliti ciljane pristupe kako bi poremetili prijenos gena za rezistenciju na antibiotike. To znanje može poslužiti prilikom razvoja strategija za kontrolu infekcija, dizajna novih antimikrobnih sredstava i stvaranja terapija koje selektivno ciljaju i inhibiraju prijenos plazmida. Ciljanje pokretnih elemenata ili mehanizama uključenih u njihovo kretanje su potencijalne mete za suzbijanje širenja neželjenih gena. Osim toga, uvidi dobiveni iz bioinformatičkih studija dinamike plazmida i širenja gena za rezistenciju na antibiotike doprinose širem razumijevanju mikrobiološke ekologije. Razotkrivanje mehanizama koji pokreću prijenos i širenje gena, istraživačima donose vrijedno znanje o evolucijskim procesima koji oblikuju bakterijske populacije.

— —

O autoru:

Mislav Acman je računalni biolog (bioinformatičar) specijaliziran za analizu omics podataka. Doktorirao je na University Collage London (UCL) s temom doktorske disertacije pod naslovom „Role of mobile genetic elements in the global network of bacterial horizontal gene transfer“, čemu je prethodilo studiranje na Université Paris Descartes i molekularnoj biologiji na Sveučilištu u Zagrebu. Uz stručnost u računalnoj biologiji, pruža stručne konzultantske usluge u ovom području kao vlasnik i glavni konzultant u Omics Solutions. Mislavov rad uključuje provođenje inovativnih i detaljno orijentiranih analiza bioloških podataka, razvoj novih analitičkih metoda i izgradnju prilagođenih modela strojnog učenja, skripti, programa i vizualizacija podataka. Trenutno radi i kao stručnjak za bioinformatiku u Biofractalu, gdje se bavi složenim izazovima bioinformatike.
Linkedin: https://www.linkedin.com/in/mislav-acman/