Thi Anh Mai Pham Nederlands

Grenzeloos: Hoe bacteriële genen bewegen

Microbiologie in hapklare porties

Grenzeloos: Hoe bacteriële genen bewegen

Written by:

Thi Anh Mai Pham

Bacteriën hebben bouwtekeningen in hun DNA om enzymen en andere eiwitten te maken, die ervoor zorgen dat DNA kan verspringen binnen één  genoom of tussen verschillende bacteriën (1). Deze bouwtekeningen worden ook wel Mobiele Genetische Elementen (MGEs) genoemd en ze bevatten onder andere plasmiden, bacteriofagen en transposons. Plasmiden zijn stabiele, zelf-replicerende gehelen, of ‘replicons’ in een bactericel. Bacteriofagen zijn dan weer kleine virussen die hun genoom kunnen injecteren in een nieuwe bacteriecel, waarna dat genoom kan integreren in het bacterie-chromosoom. Anderzijds kunnen transposons willekeurig verspringen naar een plasmide of in faag-DNA, waardoor de eigenschappen van de gastheercel kunnen veranderen (1). Al deze mechanismen zorgen ervoor dat bepaalde genen van de ene bacteriecel naar de andere kunnen verplaatsen, en op grotere schaal zelfs verplaatsen van de ene habitat naar de andere, bijvoorbeeld van het menselijk lichaam naar een dier of de bodem. 

Onderzoek wijst uit dat er Antibioticum Resistentie Genen (ARGs) aanwezig zijn binnen de MGEs. Carbapenem is een antibioticumklasse met een breed spectrum aan antibacteriële activiteit tegen zowel Gram-positieve, als Gram-negatieve bacteriën. Een mechanisme dat ervoor zorgt dat bacteriën carbapenem-resistent worden, is de expressie van carbapenemases (2). Carbapenemases behoren tot de groep van hydrolaze-enzymen die carbapenem antibiotica deactiveren door ze te hydrolyzeren. Genen die coderen voor zulke enzymen, zoals blaOXA-48, zijn aanwezig in plasmiden van Klebsiella pneumoniae. Deze bacterie behoort tot de groep van carbapenem-resistente Enterobacterales, samen met o.a. Pseudomonas aeruginosa en Acinetobacter baumanii. Deze groep veroorzaakt regelmatig infecties in een ziekenhuisomgeving waarbij een behandeling met carbapenem dan niet werkt (3). Hoewel deze groep van bacteriën vaak bestudeerd is in mensen, weten we weinig over de epidemiologie en de verspreiding ervan in de natuur of in specifieke diersoorten. 

Mensen komen continu in aanraking met bacteriën in hun omgeving, zoals bijvoorbeeld bij het aanraken van oppervlakken, planten, dieren of door te eten of drinken. Dit zijn allemaal wegen voor bacteriën en hun resistentiegenen om over de grenzen van mensen heen te bewegen, waardoor ze zich kunnen verspreiden op zowel lokale als globale schaal. Daarom focussen onderzoekers en gezondheidsorganisaties zich nu op de zogenaamde ‘One Health’ aanpak om de verspreiding van antimicrobiële resistentie tegen te gaan. Hierbij wordt er samengewerkt in de domeinen van mens, milieu en dier (4) (Figuur 1). 

Figure 1: De ‘One Health’-aanpak verbindt menselijke gezondheid met dierlijke gezondheid en milieugezondheid. Bacteriën zijn aanwezig in al deze domeinen en zijn potentiële dragers en ontvangers van Mobiele Genetische Elementen (MGEs) waaronder Antibiotica Resistentie Genen (ARGs). 

Ramsamy en zijn collega’s hebben vergelijkend onderzoek gedaan naar MGEs van carbapenem-resistente bacteriën in mensen, in het milieu en in dieren. Daarvoor gebruikten ze de ‘One Health’ aanpak in één regio vanZuid-Afrika (5). De onderzoekers konden negentien carbapenemase-producerende Enterobacterales isoleren uit drie openbare ziekenhuizen en uit een afvalwaterzuiveringsinstallatie. Hierbij vonden ze een hoge aanwezigheid van K. pneumoniae (47%) en Enterobacter hormaechei (32%). Opmerkelijk is dat ze geen resistente bacteriën vonden in varkens uit een voedselverwerkingsbedrijf met een slachthuis. 

Daarna onderzochten Ramsamy en co. of de bacteriën resistent waren tegen meer antibiotica, zoals ceftazidime, cefuroxime en ertapenem. Zestien van de negentien carbapenem-resistente isolaten hadden een carbapenemase-coderend gen, de genen blaOXA-81 en blaNDM-1 kwamen het vaakst voor. Beide genen werden gevonden in zowel monsters uit mensen als uit het milieu. 

In totaal identificeerde de onderzoeksgroep 42 plasmiden uit de negentien bacteriestammen. Daarin vonden ze ARGs samen met transposons en/of ingeplakte stukken DNA. In één bacteriestam bleek  rond het carbapenemase-coderende gen blaOXA-81, het gen  ereA te zitten. Dit gen codeert voor erythromycine esterase, een enzym dat zorgt voor hoge resistentie tegen het erythromycine antibioticum. Daarnaast werden ook insertiesequenties, zoals IS3000, en transposons, zoals Tn3, gevonden in de plasmiden met blaOXA-81. In het kort, zou je MGEs dus kunnen voorstellen als transportmiddel dat verschillende antibioticumresistentiegenen aan boord heeft, en daarmee beweegt tussen verschillende bacteriecellen in nieuwe domeinen. 

Als kanttekening wijzen de onderzoekers erop, dat deze conclusies niet zomaar voor alle bacteriën geldt. Daarvoor hebben ze te weinig bacteriën gevonden om te onderzoeken.. Om deze inzichten in de verspreiding van resistentie binnen de ‘One Health’-context verder te bevestigen, roepen ze op tot groter vervolgonderzoek: met meer monsters, in een groter gebied. 

Momenteel zijn er antibioticaresistentiegenen gevonden op MGEs in zowel bodems nabij de noordpool (6), als in drinkwater in India (7). Dit duidt op een verregaande verspreiding van antibioticaresistentie naar verschillende domeinen over heel de wereld, waarbij MGEs mogelijk de drijfveren zijn. Aangezien MGEs niet alleen antibioticaresistentiegenen, maar ook virulentie- en andere resistentiegenen kunnen bevatten, is het belangrijk om de gevolgen van bacteriële infecties voor de menselijke gezondheid goed in te schatten (3). 

Link to the original post: Ramsamy, Y., et al. (2021). “Mobile genetic elements-mediated Enterobacterales-associated carbapenemase antibiotic resistance genes propagation between the environment and humans: A One Health South African study.” Sci Total Environ 806(Pt 3): 150641.

Featured image: Photo by Norbert Dudas on Unsplash

References:

  1. Frost, L. S., et al. (2005). “Mobile genetic elements: the agents of open source evolution.” Nat Rev Microbiol 3(9): 722-732.
  2. Yang, X., et al. (2021). “Carbapenem Resistance-Encoding and Virulence-Encoding Conjugative Plasmids in Klebsiella pneumoniae.” Trends Microbiol 29(1): 65-83.
  3. CDC – Carbapenem-resistant Enterobacterales (CRE) – https://www.cdc.gov/hai/organisms/cre/index.html November 9, 2021
  4. WHO – WHO,FAO, and OIE unite in the fight against Antimicrobial Resistance – https://www.who.int/foodsafety/areas_work/antimicrobial-resistance/amr_tripartite_flyer.pdf November 9, 2021
  5. Ramsamy, Y., et al. (2021). “Mobile genetic elements-mediated Enterobacterales-associated carbapenemase antibiotic resistance genes propagation between the environment and humans: A One Health South African study.” Sci Total Environ 806(Pt 3): 150641.
  6. McCann, C. M., et al. (2019). “Understanding drivers of antibiotic resistance genes in High Arctic soil ecosystems.” Environ Int 125: 497-504.
  7. Walsh, T. R., et al. (2011). “Dissemination of NDM-1 positive bacteria in the New Delhi environment and its implications for human health: an environmental point prevalence study.” Lancet Infect Dis 11(5): 355-362.


Vertaald door: Hanne Put