西湖大學(xué)工學(xué)院鞠峰團隊最新成果——提出表型宏基因組學(xué)方法，用于超廣譜抗生素耐藥組的高通量環(huán)境檢測

超廣譜抗生素作為抗菌范圍廣泛的抗生素，是治療嚴重致病細菌感染的關(guān)鍵臨床藥物。世界衛生組織（WHO）在最新版人類(lèi)抗生素藥物目錄報告中提到了頭孢菌素和碳青霉烯這兩大類(lèi)超廣譜抗生素。然而，這兩類(lèi)超廣譜抗生素的耐藥基因能賦予細菌超強耐藥性，其被人體致病細菌獲取后容易導致臨床抗生素治療失效。因此，追蹤這些臨床關(guān)鍵超廣譜抗生素耐藥基因在環(huán)境中的分布情況與傳播擴散風(fēng)險對于臨床耐藥問(wèn)題的提前防控至關(guān)重要。

日前，西湖大學(xué)工學(xué)院鞠峰課題組首次提出了表型宏基因組學(xué)（Phenotypic Metagenomics）的概念和方法學(xué)框架，該方法整合了環(huán)境微生物組的培養富集、靶標耐藥表型篩選和宏基因組學(xué)分析，克服了僅直接利用宏基因組測序或經(jīng)典分離培養方法的局限性。研究團隊將該方法應用于城市污水廠(chǎng)和受納河流中的頭孢菌素和碳青霉烯這兩大類(lèi)超廣譜抗生素耐藥基因的高通量檢測，揭示了其耐藥細菌的分類(lèi)學(xué)、致病性和耐藥性等核心特征。

該研究成果以“Using Culture-Enriched Phenotypic Metagenomics for Targeted High-Throughput Monitoring of the Clinically Important Fraction of the β-Lactam Resistome”為題發(fā)表于環(huán)境領(lǐng)域國際期刊 Environmental Science & Technology，鞠峰實(shí)驗室博士生張治國為第一作者，西湖大學(xué)特聘研究員鞠峰為通訊作者。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c03627

臨床關(guān)鍵超廣譜抗生素耐藥基因與耐藥細菌在環(huán)境介質(zhì)（如水、空氣和土壤等）中通常豐度較低，無(wú)法直接通過(guò)宏基因組（指樣品中所有微生物 DNA 遺傳信息）測序分析實(shí)現有效檢測。經(jīng)典的分離培養方法可以通過(guò)表型篩選檢測一些低豐度的可培養耐藥細菌，但是該方法工作量大、成本高，且耐藥細菌識別效率低下，耐藥基因的檢測通量低。在此背景下，研究團隊提出了表型宏基因組學(xué)的新方法（圖1），并首次應用于城市污水廠(chǎng)和受納河流中頭孢菌素和碳青霉烯耐藥基因及其宿主細菌核心特征的高通量檢測。

圖1. 本研究提出了表型宏基因組方法學(xué)并應用于污水環(huán)境靶標耐藥組檢測。

研究結果表明，基于含有抗生素培養基平板的表型篩選極大降低了環(huán)境微生物組的復雜度與多樣性，可以有效實(shí)現低豐度靶標細菌（包括肺炎克雷伯菌、鮑曼不動(dòng)桿菌和大腸桿菌等臨床病原菌）的選擇性富集（圖2）。

圖2. 環(huán)境樣本中超廣譜抗生素耐藥表型微生物群落組成和多樣性

借助表型宏基因組學(xué)分析方法，研究團隊在杭州某污水廠(chǎng)污水和受納河流富集培養微生物組中定量識別了多種低豐度的碳青霉烯和頭孢菌素耐藥基因，發(fā)現了部分超廣譜抗生素耐藥基因與可移動(dòng)基因元件排列在一起（圖3），使得它們容易在不同細菌之間發(fā)生轉移，致使抗生素敏感菌株成為難以醫治的超廣譜抗生素耐藥菌株。

圖3. 項目組從污水樣本中獲取超廣譜抗生素耐藥表型微生物耐藥基因和可移動(dòng)基因元件的排列信息（A）和（B），其宿主細菌與臨床致病細菌之間共享了完全相同的超廣譜抗生素耐藥基因（C）。

更為重要的是，研究團隊還發(fā)現污水廠(chǎng)中的部分人體致病細菌同時(shí)攜帶碳青霉烯耐藥基因和多粘菌素耐藥基因（圖4）。這兩種超廣譜抗生素均屬于人類(lèi)對抗耐藥致病細菌感染的最后一道防線(xiàn)。若人體被此類(lèi)多重耐藥性致病細菌感染，將可能導致無(wú)藥可治的境況。

圖4. 項目組從某城市污水廠(chǎng)檢出具有超廣譜抗生素耐藥表型的48個(gè)高質(zhì)量耐藥細菌基因組的系統發(fā)育關(guān)系和耐藥圖譜（A），以及其與已知臨床致病細菌之間大量共享完全相同超廣譜抗生素耐藥基因（B）。

綜上所述，研究團隊提出了表型宏基因組學(xué)的概念，并證明其作為一種新的抗生素耐藥基因檢測方法可以有效地繪制特定臨床抗生素耐藥表型微生物的耐藥基因組圖譜，未來(lái)有望發(fā)展成一種經(jīng)濟高效的目標抗生素耐藥組標準化監測的技術(shù)手段。該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金以及浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗室、西湖實(shí)驗室、西湖大學(xué)高性能計算中心和未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心的支持。

環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗室

環(huán)境微生物組學(xué)研究環(huán)境中全部微生物及其遺傳信息，其方法學(xué)基礎與理論拓展應用是國際學(xué)術(shù)前沿和熱點(diǎn)。西湖大學(xué)環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗室（EMBLab：http://www.ju-emblab.com）開(kāi)展環(huán)境工程學(xué)與微生物學(xué)交叉學(xué)科研究，研究興趣包括：1）環(huán)境工程與合成微生物組學(xué)；2）微生物組的群落構建理論與功能原理；3）抗生素耐藥性產(chǎn)生與傳播機制及風(fēng)險監控；4）持久性有機污染物（塑料與藥物）降解轉化及健康效應。

實(shí)驗室目前招聘博士后 2 名：塑料生物降解與酶資源發(fā)掘方向、環(huán)境微生物組與耐藥組研究方向各1名?？蒲兄?名：污水處理與資源化、微生物組或生物信息學(xué)方向各1名。歡迎大家與我們聯(lián)系。

聯(lián)系郵箱：xuyisong@westlake.edu.cn；jufeng@westlake.edu.cn

鞠峰

EMBLab負責人

鞠峰，西湖大學(xué)研究員、博士生導師，環(huán)境微生物組與生物技術(shù)實(shí)驗室負責人，浙江省海岸帶環(huán)境與資源研究重點(diǎn)實(shí)驗室副主任。2015年獲香港大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，之后在瑞士聯(lián)邦水科學(xué)與技術(shù)研究所 (EAWAG) 從事博士后研究，2018年至今在西湖大學(xué)擔任特聘研究員，開(kāi)展環(huán)境微生物組科學(xué)與工程技術(shù)研究。目前擔任中國工程院院刊Engineering、Frontiers in Microbiology、Engineering in Life Science 等SCI期刊編委，以及 Critical Reviews in Environmental Science Technology、Journal of Environmental Sciences、Environmental Science & Ecotechnology、The Innovation、iMeta 等期刊青年編委。曾擔任加拿大自然科學(xué)與工程理事會(huì )（NSERC）國際評審專(zhuān)家。曾獲中國工程院院刊 Engineering“編委年度貢獻獎”（2021）、中國生態(tài)學(xué)會(huì )“水云天微生物生態(tài)青年科技創(chuàng )新獎-特等獎”（2018）、香港科學(xué)會(huì )“青年科學(xué)家獎”（2016）、香港大學(xué)“杰出研究生獎”（2015）等科研獎項。近三年主持或參與國家級或省部級科研項目 4 項；目前參編中英文專(zhuān)著(zhù) 4 本，在 Nature Communications、ISME Journal、Advanced Science、Microbiome 、Environmental Science & Technology、Water Research 等知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文60余篇，引用 4000次。