Биологические «детективы» отслеживают биоугрозы, такие как бактерии, вызывающие туляремию («кроличью лихорадку»), но они постоянно сталкиваются с проблемой предотвращения ложных срабатываний. Бить тревогу по поводу биологической атаки только для того, чтобы обнаружить, что это безобидный родственник в том же роде, снижает доверие и доверие общества. Новая работа в Лос-Аламосской национальной лаборатории сужает путаницу в отношении бактерий Francisella, несколько видов которых включают высоковирулентные патогены человека и животных, патогены рыб, условно-патогенные микроорганизмы человека, клещевые эндосимбионты и свободноживущие изоляты, населяющие солоноватые воды.
«Точное различение вирулентного подвида F. tularensis и широко распространенного в окружающей среде F. novicida и его родственников абсолютно необходимо для будущего успеха деятельности по биологическому надзору и атрибуции», - сказал биолог из Лос-Аламоса Джин Чаллакомб, ведущий автор. в статье, опубликованной на этой неделе в журнале PLOS ONE. Биологическое наблюдение, например, проводимое Министерством внутренней безопасности и Министерством обороны США, обеспечивает раннее предупреждение о вспышках инфекционных заболеваний, воздействии опасной окружающей среды или возможных атаках биотеррористов путем выявления тенденций, имеющих значение для общественного здравоохранения.
Род Francisella включает в себя несколько признанных видов, дополнительные потенциальные виды и других представителей, населяющих ряд невероятно разнообразных экологических ниш, но не имеющих близкого родства с названными видами. Многие из них не вызывают проблем ни у человека, ни у домашнего скота. Однако F. tularensis является высоковирулентным зоонозным патогеном (передается от животных к человеку), вызывающим туляремию. Из-за усилий по созданию оружия в прошлых мировых войнах он считается агентом биологической угрозы первого уровня (наиболее серьезным).
Плохой, F. tularensis, подвид tularensis (тип A), встречается исключительно в Северной Америке и является наиболее вирулентным, вызывая болезнь туляремию. Это может вызвать язвы на коже, боль в груди и затрудненное дыхание.
Команда идентифицировала несколько явно загадочных плазмид, которые представляют собой линейные или кольцевые структуры двухцепочечной ДНК, способные существовать вне хромосомы, в секвенированных геномах трех часто встречающихся в окружающей среде видов Francisella. Эти плазмиды обеспечивают дополнительные филогенетические и геномные признаки, которые отличают патогенные штаммы F. tularensis от клинических и экологических близких видов, которые не являются агентами биологической угрозы.
Наша работа показывает, что из более чем 120 геномов Francisella, которые были секвенированы, лишь немногие содержат плазмиды. Это становится действительно полезным указателем для исследователей, добавляя геномные особенности, которые могут предотвратить ошибочную идентификацию бактериальных родственников, которые случаются с имеют схожий генетический профиль», - сказала она. Исследования окружающей среды показывают, что F. novicida и подобные штаммы широко распространены и многочисленны в различных средах на территории Соединенных Штатов, и, что наиболее важно, эта группа, вероятно, является источником ложноположительных результатов в отношении F. tularensis из окружающей среды, которые имели место в системах эпиднадзора.
Для проведения анализа команда секвенировала геномы образцов морской воды в районе залива Галвестон, штат Техас (похожие на F. novicida), некоторых клинических образцов человека (F. novicida AZ06-7470 и F. opportunistica)., вода из теплого источника (F. novicida) и форма, изолированная от системы кондиционирования воздуха (F. frigiditurris). Несколько штаммов Francisella, содержащих плазмиды, были секвенированы группой Genome Sciences в Отделе биологических наук в Лос-Аламосе.
Только несколько представителей рода Francisella несут плазмиды; к ним относятся несколько штаммов F. novicida, и мы обнаружили, что все плазмиды были, по-видимому, загадочными, кодирующими функции, потенциально участвующие в репликации, конъюгальном переносе и разделении, несколько функций, которые могут быть важны для выживания в окружающей среде, и некоторые гипотетические белки, которым нельзя приписать функцию», - сказал Чаллакомб.
Согласно опубликованному заключению Чаллакомб и ее соавторов Шерил Куске и Сегаран Пиллаи, «Хотя бактериальные плазмиды могут нести признаки, повышающие выживаемость клеток-хозяев и влияющие на эволюцию бактерий, криптические плазмиды кодируют несколько функций, кроме тех, которые необходимы для реплицируются и мобилизуются. Без очевидной пользы для клеток-хозяев, которые их несут, криптические плазмиды представляют собой своего рода загадку… Наши результаты сравнения криптических плазмид в различных геномах францицелл показывают, что они также обнаруживаются в клинических изолятах.
Эти результаты обеспечивают новое понимание фенотипической изменчивости и сложных таксономических отношений между известными видами Francisella, а также дают нам новые плазмидные свойства для использования в характеристике групп родственных видов."
Есть много культивируемых изолятов Francisella, для которых у нас до сих пор нет геномной последовательности, отмечают исследователи. Только путем секвенирования и сравнения многих других изолятов Francisella из окружающей среды и ближайших соседей исследователи смогут определить дополнительные геномные признаки, которые позволят точно различать различные группы видов.
Бионауки были в центре внимания в Лос-Аламосе с тех пор, как первые усилия по измерению доз радиации в рамках Манхэттенского проекта, и отдел биологических наук лаборатории уже давно активно участвует в анализе биологической опасности, генетических исследованиях и разработке таких инструментов и такие методы, как проточная цитометрия.