The Use of epicPCR to study Antimicrobial Resistance Genes and Their Bacterial Hosts in Human Impacted Environments in West Africa

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202006052571
Title: The Use of epicPCR to study Antimicrobial Resistance Genes and Their Bacterial Hosts in Human Impacted Environments in West Africa
Author: Sarekoski, Anniina Karoliina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202006052571
http://hdl.handle.net/10138/315882
Thesis level: master's thesis
Degree program: Mikrobiologian ja mikrobibiotekniikan maisteriohjelma
Master's Programme in Microbiology and Microbial Biotechnology
Magisterprogrammet i mikrobiologi och mikrobibioteknik
Specialisation: ei opintosuuntaa
no specialization
ingen studieinriktning
Abstract: Mikrobilääkeresistenssi on lisääntynyt erityisen huolestuttavasti matalan tulotason maissa, joista puuttuu kontrolloitu mikrobilääkepolitiikka ja joissa on heikko infrastruktuuri. Riittämättömät hygieniakäytännöt yhdistettynä mikrobien nopeaan evoluutioon herättävät huolen taudinaiheuttajien resistenssistä yhä useammalle mikrobilääkkeelle. Mikrobilääkeresistenssigeenejä kantavien bakteereiden leviämistä ympäristöön edesauttavat erilaiset jätevedet, joita käytetään laajalti kasteluvesinä kaupunkiviljelyssä Saharan eteläpuolisessa Afrikassa. Tässä tutkimuksessa kerättiin kahdeksan antropogeenistä vesinäytettä Burkina Fasosta ja Malista ja niiden mikrobiyhteisöjä kuvailtiin ja eroja arvioitiin 16S rRNA-geenin sekvenssien perusteella. Mikrobilääkeresistenssigeenien esiintymistä näytteissä tutkittiin SmartChip qPCR:n avulla. Lisäksi neljän resistenssigeenin, blaNDM, blaCTX-M, blaOXA ja qacE∆1:n isäntäkirjoa profiloitiin hiljattain kehitetyllä molekulaarisiin menetelmiin perustuvalla epicPCR-menetelmällä (eng. Emulsion, Paired Isolation and Concatenation PCR). Yhteensä 202 erilaista mikrobilääkeresistenssiin linkittyvää geeniä, mukaan lukien horisontaalisesti siirtyviä karbapenemaasigeenejä, havaittiin SmartChip qPCR -analyysillä. Kuudentoista bakteeri- isännän, myös mahdollisesti ihmisille tautia aiheuttavien Acinetobacter, Klebsiella, Escherichia ja Pseudomonas -sukujen havaittiin kantavan kaikkia neljää epicPCR:llä tutkittua geeniä. Näytteissä kaikkein yleisimpänä esiintynyt bakteerisuku Arcobacter sekä Dechloromonas, Methylotenera, MM1 ja Methylophilus olivat uusia blaNDM-geenin kantajia. Lisäksi jokaisesta näytteestä löydettiin huomattavan suuri määrä blaOXA ja qacE∆1 -geenien kantajia. Kahden näytteen perusteella jätevedenpuhdistamon vesissä havaittiin horisontaalista geenien siirtoa. Laaja blaOXA ja qacE∆1 -geenien isäntäkirjo viittaa Länsi-Afrikan vakavaan mikrobilääkeresistenssigeenien taakkaan ja tulokset tukevat teoriaa, jonka mukaan ympäristöbakteerit voivat toimia resistenssigeenien varastoina. Nämä tulokset osoittavat horisontaalisesti siirtyvien kliinisesti merkittävien blaNDM ja blaCTX-M -geenien esiintymisen patogeeneissä erityisesti sairaalan jätevesissä, ja uhan niiden leviämisestä ympäristöön ja yhteisöön. Niiden rooli Afrikan tartuntatautien taakassa on kuitenkin epäselvä ja sen selvittämiseksi tarvitaan enemmän sekä kansallista että maailmanlaajuista yhteisyötä ja tutkimusta.The emerging crisis of antimicrobial resistance is especially worrisome in low-income countries that lack controlled antibiotic policy and have poor infrastructure. Inadequate hygiene practices combined with ability of microbes to quickly evolve and adapt to changes rise the concern of resistance of infectious pathogens to many first-line antimicrobial drugs. Moreover, wastewaters that are widely used as irrigation water in urban gardening in sub-Saharan Africa, can function as vehicle for the dissemination of bacteria that carry antimicrobial resistance genes into the surrounding environment. In this study, eight anthropogenically impacted water samples were collected from Burkina Faso and Mali and differences in their microbial communities were evaluated by 16S rRNA gene sequencing. Also, the presence of antimicrobial resistance genes was examined with SmartChip qPCR. The bacterial host range of blaNDM, blaCTX-M, blaOXA and qacE∆1 was profiled using a novel culture- independent technique, Emulsion, Paired Isolation and Concatenation PCR (epicPCR). The presence of 202 genes associated with antimicrobial resistance were detected with SmartChip qPCR array analysis, including carbapenemase genes that can transfer horizontally. Worryingly, sixteen taxonomical units, including possible human pathogens Acinetobacter, Klebsiella, Escherichia and Pseudomonas, were found to carry all the four genes investigated with epicPCR. The most abundant genus Arcobacter along with Dechloromonas, Methylotenera, MM1 and Methylophilus were new discoveries as blaNDM hosts. Furthermore, a considerable number of blaOXA and clinical class 1 integron marker qacE∆1 gene hosts were discovered in every sample. Lastly, putative events of horizontal gene transfer in two WWTP samples were observed. Broad host range of blaOXA and qacE∆1 genes suggests a heavy antimicrobial resistance genes burden in West Africa and the results support the theory that environmental bacteria can function as resistance gene reservoirs. These results show occurrence of horizontally transferrable blaNDM and blaCTX-M genes in pathogens especially in hospital wastewater, and a threat of their spread into the environment and to the community. However, to decipher their role in the infectious disease burden in Africa, more research is needed.
Subject: Antimicrobial resistance gene
wastewater
epicPCR
culture-independent
West Africa


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Sarekoski_Anniina_pro_gradu_2020.pdf 1.546Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record