Selon une étude de l’International MetaSUB Consortium, un effort mondial de suivi des microbes dirigé par Weill Cornell, environ 12000 bactéries et virus collectés dans un échantillon de systèmes de transport en commun et d’hôpitaux du monde entier entre 2015 et 2017 n’avaient jamais été identifiés. Chercheurs en médecine.
Pour l’étude, publiée le 26 mai dans Cellule, des enquêteurs internationaux ont collecté près de 5 000 échantillons sur une période de trois ans dans 60 villes de 32 pays et six continents. Les chercheurs ont analysé les échantillons à l’aide d’une technique de séquençage génomique appelée séquençage par fusil de chasse pour détecter la présence de divers microbes, notamment des bactéries, des archées (organismes unicellulaires distincts des bactéries) et des virus qui utilisent l’ADN comme matériel génétique. (D’autres types de virus qui utilisent l’ARN comme matériel génétique, comme le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, n’auraient pas été détectés avec les méthodes d’analyse de l’ADN utilisées dans cette étude pré-pandémique.)
Ce domaine de recherche a des implications importantes pour la détection des flambées d’infections connues et inconnues et pour l’étude de la prévalence des microbes résistants aux antibiotiques dans différents environnements urbains.
«Chaque fois que vous vous asseyez dans le métro, vous vous déplacez probablement avec une espèce entièrement nouvelle», a déclaré l’auteur principal, le Dr Christopher Mason, codirecteur de la WorldQuant Initiative for Quantitative Prediction et professeur de physiologie et de biophysique à Weill Cornell Medicine. . Le Dr Mason est également cofondateur et consultant rémunéré de Biotia et Onegevity Health, et conférencier rémunéré pour WorldQuant LLC.
L’étude actuelle a conduit à la découverte de 10 928 virus et 748 bactéries qui ne sont présents dans aucune base de données de référence.
Le Dr Mason a fondé MetaSUB (abréviation de Metagenomics and Metadesign of Subways and Urban Biomes) en 2015, avec le Dr Evan Afshin, qui était alors étudiant de premier cycle au Macaulay Honors College du Queens College et est maintenant chercheur en physiologie et biophysique. chez Weill Cornell Medicine et consultant rémunéré pour Onegevity Health.
L’étude récemment publiée a été dirigée par les Drs. Mason, David Danko, étudiant au doctorat de la Weill Cornell Graduate School dans le laboratoire du Dr Mason pendant l’étude, et Daniela Bezdan, qui était associée de recherche en biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine à l’époque.
En collectant des échantillons de microbes et en analysant leurs gènes – appelés collectivement microbiome – les chercheurs espèrent en savoir plus sur les bactéries, virus et autres microorganismes qui vivent chez les humains. Par exemple, la recherche peut aider à identifier l’émergence de souches résistantes aux antibiotiques.
Prédire la résistance aux antibiotiques à partir des seules séquences génétiques est un défi, mais les chercheurs ont pu cartographier certains gènes connus pour être liés à la résistance, quantifier leur abondance et confirmer la capacité des marqueurs génétiques à conférer une résistance. Ils ont constaté que certaines villes avaient plus de gènes de résistance que d’autres et qu’il pouvait y avoir des signatures spécifiques à la ville pour certains de ces gènes.
La résistance aux antimicrobiens reste un défi majeur pour la santé mondiale. «Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, cet ensemble de données démontre la valeur et le potentiel de la cartographie et de la surveillance du microbiome, ainsi que les informations qu’il peut fournir aux médecins, aux scientifiques et aux responsables de la santé publique», a déclaré le Dr Afshin.
De plus, la connaissance des petites molécules et protéines fabriquées par les microbes pourrait également conduire à la découverte de nouveaux antibiotiques ainsi que d’autres molécules susceptibles d’être développées en tant que médicaments. De nombreux antibiotiques et médicaments actuellement utilisés proviennent de sources microbiennes.
Les découvertes faites sur de nouvelles espèces microbiennes pourraient également conduire à de nouveaux outils et approches de laboratoire, tels que de nouvelles façons d’utiliser l’outil d’édition moléculaire connu sous le nom de CRISPR. Dans cette étude, les chercheurs ont trouvé 838 532 nouveaux tableaux CRISPR – des extraits d’ADN viral trouvés à l’intérieur de bactéries – et 4,3 millions de nouveaux peptides (petites protéines).
En raison de ces efforts d’échantillonnage, le Dr Mason a déclaré qu’il pouvait prédire avec une précision d’environ 90% où vit une personne, simplement en séquençant l’ADN sur ses chaussures. On a constaté que de nombreux facteurs influaient sur le microbiome d’une ville, notamment la population globale et la densité de la population, l’altitude, la proximité de l’océan et le climat. Les découvertes sur ces signatures distinctes pourraient permettre de futures études médico-légales.
Un microbiome contient des échos moléculaires de l’endroit où il a été collecté. Un échantillon côtier peut contenir des microbes qui aiment le sel tandis qu’un échantillon d’une ville densément peuplée peut montrer une biodiversité frappante », a déclaré le Dr Danko.
Dr David Danko, étudiant Soctoral, Weill Cornell gÉcole radicale .
Drs. Mason et Afshin ont commencé à collecter et à analyser des échantillons microbiens dans le métro de New York en 2013. Après avoir publié leurs premiers résultats, baptisés PathoMap, ils ont été contactés par des chercheurs du monde entier qui voulaient faire des études similaires pour leurs propres villes.
L’intérêt international a inspiré le laboratoire du Dr Mason à créer MetaSUB et a recruté Daniela Bezdan comme directrice de recherche. « Nous avions besoin de protocoles, de logistique et d’accords de collaboration internationalement acceptés avec des scientifiques, des fournisseurs, des bureaux gouvernementaux et des fondations philanthropiques pour potentiellement 100 villes dans 20 pays », a déclaré Bezdan.
Aujourd’hui, MetaSUB continue de croître et s’est étendu à la collecte d’échantillons d’ARN et d’ADN dans l’air, l’eau et les eaux usées, en plus des surfaces dures. Cela a conduit à une subvention de 5 millions de dollars pour le séquençage des eaux usées et le suivi viral dans trois États (Floride, New York et Wisconsin), et qui fait partie du nouveau système national de surveillance des eaux usées (NWSS) du Center for Disease Control and Prevention.
Le groupe supervise également des projets tels que la Journée mondiale d’échantillonnage des villes (gCSD), qui se tient chaque année le 21 juin, et a mené des études de grande envergure, y compris une analyse microbienne complète de Rio de Janeiro avant, pendant et après les Jeux olympiques d’été de 2016. De nombreux échantillons analysés dans la présente étude ont été collectés lors de la Journée mondiale d’échantillonnage des villes en 2016 et 2017.
L’effort d’échantillonnage à New York a été mené avec le soutien du Weill Cornell Medicine Clinical and Translational Science Center (CTSC), en collaboration avec Jeff Zhu, directeur principal du programme du CTSC. Le Dr Mason et ses collègues se préparent actuellement pour l’événement de cette année.
«Lorsque nous avons commencé en 2015, le consortium était composé de 16 villes; six ans plus tard, nous avons plus de 100 villes. C’est formidable d’avoir ce groupe de co-chercheurs curieux, autonomes et enthousiastes», a déclaré le Dr Mason, qui est également professeur de génomique computationnelle en biomédecine computationnelle à l’Institut SAR Prince Alwaleed Bin Talal Bin Abdulaziz Al-Saud pour la biomédecine computationnelle à Weill Cornell Medicine.
«Bien que les échantillons soient collectés partout dans le monde, une grande partie de l’analyse est effectuée ici même à New York, chez Weill Cornell Medicine», a déclaré le Dr Mason. L’analyse et l’assemblage de séquences ont également tiré parti des supercalculateurs Bridges and Bridges-2, Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) au Pittsburgh Supercomputing Center.
Les chercheurs de MetaSUB en Suisse (Drs. Andre Kahles et Gunnar Rätsch) ont utilisé ces assemblages et ces données brutes pour construire un portail de séquences d’ADN global consultable (MetaGraph) qui indexait toutes les séquences génétiques connues (y compris les données MetaSUB). Le portail cartographie tous les éléments génétiques connus ou nouvellement découverts à leur emplacement sur Terre et peut aider à la découverte de nouvelles interactions microbiennes et de fonctions putatives.
L’isolement de l’ADN à partir d’échantillons a été en grande partie réalisé avec le soutien de Zymo Research et Promega, et séquencé en collaboration avec le Dr Shawn Levy de l’Institut HudsonAlpha pour la biotechnologie, le Dr Klas Udekwu de l’Université de Stockholm et le New York Genome Center. Des études futures et en cours examineront l’ARN et l’ADN avec de longues lectures et des méthodes d’imagerie spatiale, ainsi que la trace des métabolites à partir des sites mondiaux, et continueront de mettre à jour la carte génétique à l’échelle planétaire.
