Resistome in biogas plants (RiB) - Can biogas plants help to reduce the global spread of resistance?
Parasitology and Biology of Tropical Infectious Disease Pathogens
Final Report Abstract
Die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen ist eine der größten Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit. Bei der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen spielen viele Faktoren, wie Antibiotikaverbrauch und Kontrolle, im humanem und industriellem Sektor aber auch Abwasserprozessierung und Abfallmanagement eine Rolle. Dies wird unter dem Begriff One Health zusammengefasst. In diesem Projektes wurde die Mobilität des Resistoms von organischen Abfallströmen in Biogasanlagen in einem metagenomischen Ansatz untersucht und beschrieben. Dafür wurden verschiedene Sequenziertechnologien als Hybrid-Methode kombiniert um mobile Elemente wie Plasmide besser darstellen zu können. Die Nanoporen-Sequenzierung bietet einen relativ günstige und leicht verfügbare Möglichkeit zur Sequenzierung von Metagenomen. Dafür wurde ein umfangreiches DNA-Isolationsprotokoll aus komplexen Biogasreaktoren für die Nanopore-Sequenzierung entwickelt und veröffentlicht. Besonders Datenbanken wie RefSeq sind völlig ungeeignet um Metagenome mit vielen un-kultivierbaren Mikroorganismen zu beschreiben. Daher wurden die taxonomischen Informationen über verschiedene Indizes validiert und maximiert). Die stetig steigende Anzahl an Genomen in den Datenbanken erschwert allerdings die taxonomische Klassifikation, da der damit verbundene Rechenaufwand erheblich ist und ohne spezialisierte Hardware nicht mehr realisierbar ist. Um dieses Problem zu lösen wurde der Algorithmus Thinspace entwickelt, um ähnliche Genome zu clustern und zu dereplizieren. Damit ließen sich die etwa 150.000 Genome auf der Genomtaxonomiedatenbank (GTDB) auf weniger als 22.000 mit Hilfe eines herkömmlichen Laptops derepliziert, ohne eine signifikante Reduktion der Klassifizierungfähigkeiten des Index. Für die einzelnen Metagenomik-Analyseaufgaben der Biogasreaktoren standen zahlreiche einzelne Tools zur Verfügung, die jedoch hauptsächlich unabhängig voneinander entwickelt wurden und die häufig schwer und nur zeitaufwändig in Kombination zu installieren und auszuführen sind. Dementsprechend wurde ein vollständiger metagenomischer Hybrid-Workflow entwickelt, welcher die verschiedenen Schritte einer Metagenomanalyse in einem einfach zu installierenden, hoch reproduzierbaren und skalierbaren Workflow zusammenfasst. In Voruntersuchungen wurden klinische Plasmide auf deren Struktur und Mosaik-ähnlichem Aufbau untersucht um nach möglichen plasmid targets innerhalb der Reaktoren zu suchen. Die aktuellen Ergebnisse der Biogasreaktoren deuten auf ein hoch aktives und mobiles Resistom in den Biogasreaktoren hin. Es wurde eine breiten Anzahl an verschiedenen Plasmide die unterschiedliche Resistenzgene tragen identifiziert, bei dem einige Ähnlichkeiten zu beschrieben klinisch identifizierten Plasmiden haben. Beunruhigen ist die hohe Anzahl an nicht beschriebenen Carbapenemase die identifiziert wurde, welche alle β-Lactam Antibiotika (e.g. Penicilline, Cephalosporine etc.) spalten können. Einige dieser Gene wurden ebenfalls auf Plasmiden lokalisiert identifiziert. Ebenfalls sind Vancomycin Resistenzgenen sehr prominent in den Reaktorproben detektiert wurden. Diese sind ebenfalls von besonderem Interesse da vancomycin resistente Enterokokken (VRE) mit zu den problematischsten klinischen Erregern zählt. In nachfolgenden Experimenten werden diese Daten gerade umfangreich gegen klinische Daten verglichen. Damit soll abschließend bestimmt werden ob die Biogasreaktoren als potentielles Resistenz-Reservoir dienen.
Publications
- Addressing dereplication crisis: Taxonomy-free reduction of massive genome collections using embeddings of protein content. Communications Biology
A Viehweger, M Hölzer, C Brandt
(See online at https://doi.org/10.1101/855262) - Assessing genetic diversity and similarity of 435 KPC-carrying plasmids , Scientific reports 9 (1), 1-8, 08/2019
C Brandt A Viehweger, A Singh, MW Pletz, D Wibberg, J Kalinowski, S. Lerch, B. Müller, O. Makarewicz
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-019-47758-5) - Abundance tracking by long-read nanopore sequencing of complex microbial communities in samples from 20 different biogas/wastewater plants
C Brandt, E Bongcam-Rudloff, B Müller
(See online at https://doi.org/10.3390/app10217518) - Metagenomics workflow for hybrid assembly, differential coverage binning, transcriptomics and pathway analysis (MUFFIN)
R Van Damme, M Hölzer, A Viehweger, B Müller, E Bongcam-Rudloff, C Brandt
(See online at https://doi.org/10.1101/2020.02.08.939843)
