New antibiotic resistance genes and their diversity
Doctoral thesis, 2019

Antibiotic resistance is increasing worldwide and is considered a severe threat to public health. Often, antibiotic resistance is caused by antibiotic resistance genes, of which many are hypothesized to have been transferred into human pathogens from environmental bacteria. It is, therefore, of great importance to explore bacterial communities to identify new antibiotic resistance genes before they reach clinical settings. The six papers presented in this thesis aim to identify new antibiotic resistance genes in large genomic and metagenomic datasets and to place them in an evolutionary context. In Paper I, a new method for the identification and reconstruction of new antibiotic resistance genes directly from fragmented metagenomic data was developed and was shown to outperform other methods significantly. In Papers II and III, novel genes of the clinically important class metallo-β-lactamases were identified. By analyzing metagenomes and bacterial genomes, 96 novel putative metallo-β-lactamase genes were predicted. In Paper IV, the diversity and phylogeny of the metallo-β-lactamases were further investigated. The results showed that the genes mainly clustered based on the taxonomy of the host species and that many of the mobile metallo-β-lactamases potentially were mobilized from species of the phylum Proteobacteria. In Paper V, the aim was to identify new genes providing resistance to the antibiotic class tetracyclines. A total of 195 gene families were predicted, of which 164 were new putative tetracycline resistance genes. Finally, in Paper VI, we searched for and predicted 20 novel putative quinolone resistance (qnr) genes from a large amount of metagenomic data. Throughout the thesis, a total of 54 novel genes have been functionally verified in Escherichia coli, of which 37 expressed the predicted phenotype. The results of this thesis provide deeper insights into the diversity and evolutionary history of three major classes of antibiotic resistance genes. It also provides new methodologies for efficient and reliable identification of new resistance genes in genomic and metagenomic data.

metagenomics

β-lactamases

hidden Markov model

antibiotic resistance

carbapenemases

big data

tetracycline resistance

Euler, Skeppsgränd 3
Opponent: Prof. José Luis Martínez, Department of Microbial Biotechnology, Centro Nacional de Biotecnología, CSIC, Spain

Author

Fanny Berglund

Chalmers, Mathematical Sciences, Applied Mathematics and Statistics

Berglund, F., Johnning, A., Larsson, D.G.J., Kristiansson, E. An updated phylogeny of the metallo-beta-lactamases

Berglund, F., Böhm, M.E., Martinsson, M., Ebmeyer, S., Österlund, T., Johnning, A., Larsson, D.G.J., Kristiansson, E. Comprehensive screening of genomic and metagenomic data reveals a large diversity of tetracycline resistance genes.

Antibiotikaresistens är idag något som finns över hela världen vilket riskerar våra möjligheter att behandla och förebygga vanliga infektioner. Att det finns vissa bakterier som överlever antibiotika har varit känt i stort sett sedan penicillinet upptäcktes i början av 1900-talet, men problemet med resistens har under de senaste årtionden eskalerat och det finns nu bakterier som är motståndskraftiga mot alla former av antibiotika.


Tidigare mottagliga bakterier kan bli resistenta genom förändringar i sitt arvsanlag. Ofta sker detta genom att bakterien tar upp en resistensgen som blir en del av dess egna DNA. Många nya resistensgener upptäcks på sjukhusen då de har överförts till en sjukdomsalstrande bakterie som ibland redan har hunnit sprida sig världen över. Men de flesta resistensgener kommer inte ursprungligen från sjukdomsalstrande bakterier, istället visar många forskningsstudier på att de kommer från ofarliga bakterier som lever i miljön eller i människokroppen. Vi människor har genom vår produktion och konsumtion av antibiotika skapat en miljö där det är fördelaktigt för bakterier att bära på resistensgener. Det gör att det nu finns ett flöde av resistensgener från miljöbakterier till sjukdomsalstrandande bakterier. Om vi vill ha kvar antibiotika som en effektiv behandlingsmetod måste därför detta genflöde bromsas. Vi vet dock inte vilka typer av resistensgener som finns ute i miljön, exakt hur detta flöde av gener går till eller var risken för överföring är som störst.


I den här avhandlingen har vi utvecklat metoder för att kunna hitta resistensgener genom att analysera bakteriellt DNA. Dessa metoder har sedan använts för att leta efter nya former av gener på och i människokroppen men också i bakterier som lever naturligt i miljön. En del av de hittade nya generna har testats i labbet, där det visade sig att många var funktionella. Genom att titta på de nya generna i relation till de resistensgener man tidigare har hittat i sjukdomsalstrande bakterier har vi fått en inblick i hur genflödet har gått till. De sammantagna resultaten från den här avhandlingen har ökat kunskapen om många typer av resistensgener, av vilka några potentiellt kan överföras till sjukdomsalstrande bakterier, och har bidragit till att kartlägga mängden resistensgener i miljön. Den ökade kunskapen om dessa nya resistensgener gör det möjligt att upptäcka dem i ett tidigt skede och på så sätt bromsa dess spridning.

Driving Forces

Sustainable development

Roots

Basic sciences

Areas of Advance

Life Science Engineering (2010-2018)

Subject Categories

Microbiology in the medical area

Bioinformatics and Systems Biology

ISBN

978-91-7905-145-7

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4612

Publisher

Chalmers University of Technology

Euler, Skeppsgränd 3

Opponent: Prof. José Luis Martínez, Department of Microbial Biotechnology, Centro Nacional de Biotecnología, CSIC, Spain

More information

Latest update

8/1/2019 6