Este estudio presenta una selección exhaustiva de conjuntos de datos metagenómicos globales y disponibles públicamente (hasta octubre de 2019) para compilar un panorama de la distribución de mcr, CR y genes BL/ESBL. Estudiamos aquí diversos biomas en un contexto global que representan diversas proximidades a puntos críticos de uso de antibióticos e identificamos una frecuencia decreciente de estos ARG desde biomas asociados a humanos hasta biomas antropogénicos y naturales con un patrón de distribución determinista. Nuestros hallazgos implican límites ecológicos en la distribución global de ARG a través de biomas.
Los límites ecológicos determinan la distribución de mcr y genes CR
Aunque se espera una distribución generalizada y uniforme de ARG en los biomas porque las barreras geográficas podrían debilitarse por las fuerzas físicas y biológicas y la movilidad humana.13, detectamos una frecuencia decreciente de ARG de biomas asociados a humanos (988 hits) a antropogénicos (342 hits) y biomas naturales (55 hits). Además de estos factores, los límites ecológicos (diferentes biomas tienen diferentes características bióticas y abióticas para la filtración de nichos de microorganismos19) también podría determinar la inmigración de microorganismos que albergan ARG a través de biomas, lo que influye en la distribución global y la diseminación de ARG. Además, los costos de adecuación son inducidos por la adquisición de genes de resistencia (p. ej., a través de la transferencia horizontal de genes) y la competencia de las bacterias sensibles a los antibióticos.20 podría impulsar la exclusión potencial de los microorganismos migrantes en el nuevo entorno, amplificando así los efectos de los límites ecológicos. La importancia de los límites ecológicos en la distribución de ARG se vio respaldada por nuestro hallazgo de que los efectos individuales de los biomas y los huéspedes potenciales, y sus efectos conjuntos, mostraron la influencia más importante en la distribución de ARG. Los efectos de los huéspedes potenciales también están relacionados con los límites ecológicos, ya que la distribución de los microorganismos huéspedes está determinada en gran medida por sus nichos. El efecto de la filogenia microbiana en resistomas se ha informado en estudios anteriores.9,17,21, y nuestros resultados de huéspedes potenciales amplían aún más el hallazgo anterior de biomas específicos a biomas más diversos. Los resultados del modelo nulo sugirieron que la distribución de ARG no estaba impulsada por procesos estocásticos sino por procesos deterministas (selección abiótica y biótica).22), apoyando la importancia de los límites ecológicos. Inesperadamente, los factores antropogénicos mostraron efectos relativamente limitados en la distribución de ARG. Esto posiblemente podría depender de la escala del bioma. Un estudio de bioma único en aguas residuales urbanas encontró un papel crucial de los factores antropogénicos en la distribución global de ARG8. Aquí, integramos 21 biomas distribuidos globalmente y destacamos el papel clave de los límites ecológicos. Además, los factores antropogénicos son índices macroscópicos a nivel de país y no están directamente relacionados con las características bióticas y abióticas locales para afectar a los resistomas. Se descubrió que los factores antropogénicos desempeñan un papel importante en la contaminación farmacéutica de los ríos en los países de ingresos medios bajos.23, mientras que nuestro estudio tuvo un número relativamente bajo de muestras de dichos países. Por lo tanto, es concebible que la distribución desigual de nuestros conjuntos de datos globales entre países posiblemente obstaculice la revelación del vínculo entre los factores antropogénicos y la distribución de ARG. Colectivamente, estos podrían explicar los efectos relativamente limitados de los factores antropogénicos en la distribución de ARG observados en este estudio.
Se observó una distribución desigual de la prevalencia de ARG en diferentes biomas. Los ARG fueron más frecuentes en las aguas residuales y, por lo tanto, las aguas residuales podrían ser un punto de acceso para el intercambio de ARG, en línea con informes anteriores.24. Por lo tanto, las aguas residuales son un bioma de punto de control para las intervenciones destinadas a interrumpir la diseminación de ARG. Sin embargo, un estudio anterior encontró que el bioma de agua dulce es un punto de acceso para el intercambio de genes.25. El desacuerdo probablemente se deba a que nuestro estudio se centró en los ARG, mientras que el estudio anterior analizó lecturas de un espectro más amplio de genes.25. Las aguas residuales representan una confluencia de antibióticos, desinfectantes, metales y nutrientes de diferentes ambientes (hogares, hospitales, fábricas y otros).24, lo que amplía aquí la diversidad de microorganismos y ARGs. Además, la selección conjunta de antibióticos, desinfectantes y metales, y las concentraciones relativamente más bajas de antibióticos en las aguas residuales que en entornos clínicos podrían promover la posibilidad de existencia y persistencia de ARG en las aguas residuales.26,27.
Nuestro hallazgo de una prevalencia baja y distribución limitada de mcr genes no está en línea con un informe anterior de un «resistoma invisible sustancial»28y es inconsistente con la inferencia de mcr genes por un informe retrospectivo29. Muestreos realizados en la proximidad de entornos donde los antibióticos se consumen con frecuencia, como hospitales, granjas, etc. aumentar la probabilidad de identificar ARG13. Esta podría ser una de las razones que explican la inconsistencia entre nuestros hallazgos y los informes anteriores, ya que los conjuntos de datos globales utilizados en este estudio consisten en muestras de diversos biomas con diversas proximidades a las actividades humanas y puntos críticos de uso de antibióticos. No obstante, el «resistoma invisible sustancial» propuesto28 complementa nuestros datos al presentar una hipótesis de límites ecológicos. desde un nivel superior mcr entorno de prevalencia donde la colistina se aplica con frecuencia, la propagación de mcr-Los microorganismos que albergan en ambientes circundantes donde la colistina está menos implementada estarán sujetos a dilución y filtrado ambientales, lo que probablemente conduce a un gradiente decreciente de mcr prevalencia de genes como se observa en nuestro estudio.
Asombrosamente, mcr-9 mostró la distribución más amplia en biomas y períodos de tiempo (que se remonta a 2008 en una muestra de intestino humano recolectada en España), en comparación con sus 8 homólogos descubiertos anteriormente (mcr-1 a mcr-8). Esto recientemente (2019) descubierto mcr-9 el gen es un gen inducible bajo exposición a colistina30lo que sugiere que mcr-9 el gen permanecería sin expresarse o apenas se expresaría en ambientes libres de colistina o de baja concentración, lo que reduciría el desperdicio de energía celular y, por lo tanto, los costos de adecuación para facilitar una amplia distribución de mcr-9 albergar microorganismos. Esta inferencia está respaldada por el hecho de que los biomas (p. ej., alimentos y fermentación) donde mcr-9 fue detectado es poco probable que haya sido sometido a una presión de selección directa de colistina.
Transmisión potencial de ARG a través de biomas
Aunque los ARG podrían transmitirse potencialmente entre diferentes biomas, las proporciones de transmisión fueron mayores entre biomas con características similares, como entre el intestino humano y la boca, y entre las aguas residuales y el biorreactor, lo que nuevamente subraya la importancia de los límites ecológicos. Entre biomas con características diferentes, las proporciones de transmisión fueron muy bajas, mientras que un estudio previo encontró un alto grado de movilidad de genes entre biomas.25. El desacuerdo posiblemente podría atribuirse a diferentes genes objetivo entre los dos estudios. Nuestros hallazgos proporcionan evidencia de que los biomas naturales, en lugar de los biomas antropogénicos, representan los principales biomas de sumidero, así como los principales biomas de fuente potencial para los ARG adquiridos por humanos.
Mcr-9 se encontró en alimentos, intestino humano, piel humana, fermentación y biorreactor, lo que implicaba las posibles rutas de transmisión de este ARG a través de estos biomas. El potencial de transmisión de mcr-9 probablemente se atribuye a los antecedentes genéticos de mcr-9 albergando andamios. El noventa y cinco por ciento de estos andamios estaban mediados por plásmidos, y algunos de ellos estaban flanqueados por elementos IS, lo que indica el potencial de movilidad de estos. mcr-9 albergando andamios. Además, el 63% de mcr-9 los andamios que albergaban compartían antecedentes genéticos similares con Leclercia especies en nuestro estudio, lo que sugiere que Leclercia especies fueron los huéspedes potenciales de mcr-9 a través de biomas. El amplio nicho de Leclercia especies31.32 apoya aún más el potencial de transmisión mcr-9 en diversos biomas. Además mcr-9solo mcr-3 entre mcr Los genes se encontraron en aguas residuales y agua dulce. Mcr-3 no se ha informado previamente en estos biomas, aunque se encuentra con frecuencia en muestras de intestino humano y animal33.34. Mcr-3 albergando andamios fueron alojados potencialmente por Aeromonas especies que existen con frecuencia en aguas residuales y agua dulce35.36apoyando el potencial de transmisión de mcr-3 entre estos dos ambientes. Notablemente, blaTEM-116 La codificación de betalactamasas mostró la distribución más amplia en comparación con los otros genes cuestionados, en línea con informes anteriores sobre la diseminación generalizada de este gen.37. La mayoría de blaTEM-116 Los andamios que albergan detectados en el intestino humano en este estudio fueron alojados potencialmente por Corynebacterium especies, algunas de las cuales son patógenos humanos oportunistas conocidos. En tono rimbombante, blaTEM-116 (ARO: 3000979) es una betalactamasa de amplio espectro, albergada por múltiples plásmidos y aislada de numerosos patógenos humanos. También es el progenitor de más de 50 variantes exitosas, estableciendo su centralidad en la familia TEM de beta-lactamasas.38. La transmisión potencial de blaOXA-233, blaGES-2, blaGES-15 y blaKPC-2 a través de los biomas también se atribuyó a los antecedentes genéticos, ya que la mayoría de los andamios que albergaban estos genes estaban mediados por plásmidos y elementos IS, y estaban potencialmente alojados por microorganismos con una amplia amplitud de nichos.
Nuestra vigilancia a escala global de los ARG tuvo que tener en cuenta ciertas limitaciones en la desigualdad en la calidad de la secuenciación, la profundidad y los tamaños de las muestras entre años, países y biomas, lo que sigue siendo intratable para los estudios basados en conjuntos de datos globales. Para minimizar el impacto de estas limitaciones en nuestros resultados, utilizamos un umbral muy estricto para confirmar la presencia de ARG y aplicamos una prevalencia génica normalizada. Además, la correlación no significativa entre la longitud del andamio y el año de recolección de la muestra (Fig. 10 complementaria) implicó solo un impacto menor de la desigualdad en la calidad de la secuenciación en nuestros resultados. Nuestra evaluación de los efectos de los factores antropogénicos en la distribución de ARG no pudo incluir factores importantes como el saneamiento y el suministro de agua potable debido a la falta de disponibilidad de conjuntos de datos completos y justifica su consideración en estudios futuros. A pesar de estas limitaciones, este estudio presenta un mapa global de alta resolución de los ARG más importantes que codifican la resistencia a los antibióticos de última línea. Mostramos aquí que la distribución global de los ARG específicos sigue un patrón no aleatorio y está conformado principalmente por los biomas donde existen y sus especies hospedantes potenciales, y la transmisión ocurre preferentemente entre biomas con características similares definidas por límites ecológicos. Este estudio aclara los mecanismos subyacentes a la distribución global de ARG de importancia clínica, y la aplicación de estos mecanismos en el contexto de otros ARG justifica más estudios. Es importante destacar que identificamos biomas de puntos de control en los que es probable que las intervenciones destinadas a interrumpir los ARG móviles clínicamente relevantes, como los estudiados aquí, sean más efectivos para reducir la diseminación y, a largo plazo, su carga global.
