Antimicrobial resistance gene dynamics in the infant gut microbial ecosystem

Antallet bakterier som lever i tarmen hos et menneske er faktisk høyere enn antallet menneskeceller i kroppen, og disse bakteriene kan påvirke helsen på flere måter. Tarmens bakteriesamfun, også kalt tarmmikrobiomet, begynner så smått å etableres under fødselen, og gjennom tidlig barndom utvikles det til å bli et modent og stabilt økosystem som utfører viktige funksjoner i kroppen, ikke ulikt andre organer. Nyere forskning har vist at tarmmikrobiomet til barn kan fungere som et reservoar for gener som gir resistens mot antibiotika. Spredning av resistensgener er en av hovedutfordringene vi står ovenfor i global folkehelse. Imidlertid mangler vi fortsatt mye grunnleggende kunnskap om hvordan modningsprosessen av tarmens mikrobielle økosystem foregår. I dette prosjektet ønsker vi å utvikle detaljerte modeller som beskriver hvordan det totale innholdet av bakterielle gener i spebarnets tarmmikrobiom utvikler seg over tid, med en spesiell fokus på hvordan gener for antibiotikaresistens akkumulerer i, og spres mellom, medlemmer av bakteriesamfunnet. Vi har tenkt til å bruke det siste innen DNA-sekvenseringsteknologi for å analysere innholdet av bakterielle gener i avføringsprøver som er samlet, med høy frekvens i løpet av første leveår, fra 12 friske spebarn født i Norge. For å videreutvikle modellene våre skal vi analysere et større antall prøver fra det store norske PreventADALL studiet, der man har samlet avføringsprøver fra mer enn 2000 spebarn på 3, 6 og 12 måneder. Dette vil gi oss bedre oversikt over naturlig variasjon i hendelsesforløpet, og gi oss muligheten til å evaluere effektene av antibiotikabruk hos spebarn. Et hovedmål i prosjektet er å identifisere resistensprofiler som er karakteristiske for ulike utviklingsstadier. Prosjektet vil gi leger et bedre kunnskapsgrunnlag når de skal gi antibiotika til små barn i ulike aldersgrupper. Vi har så langt gjennomført dyp DNA sekvensering av metagnomet i 150 prøver fra vår tidsseriekohort med 12 friske spebarn. Vi har etablert rutiner for preparering av et stort antall sekvenseringsbiblioteker for parallell sekvensering med Illumina NovaSeq 6000 apparatet, det tyngste utstyret for DNA sekvensering som er tilgjengelig idag. Denne maskinen kan produsere >10 Tb med sekvensdata i en enkelt kjøring, og vi har også etablert rutiner for nedstrøms bioinformatisk analyse av denne enorme mengden data på Sigma2 systemet. Dette inkluderer kvalitetssikring av data, sammensetning av genomsekvenser, taksonomisk analyse og annotering av gener for antibiotikaresistens i prøvene. Dette er et enestående dataset med hensyn på temporal oppløsning og mengden genetisk informasjon som omfattes. Ved å analysere tusenvis av genomsevenser har vi identifisert en divers ansamling av gener for antibiotikaresistens hos friske spebarn. Sammen med samarbeidspartnere ved Universitet i Amsterdam har vi begynt å se på evolusjonære mønstre hos spesifike mikrober i tarmen, og sammen med våre samarbeidspartnere England studerer vi nye metoder for å kunne løse tvetydige genomsekvenser opp i undervarianter. Sommeren 2021 fikk vi også en PhD student som skal se nærmere markører for antibiotikaresistens som er båret på mobile genetiske elementer (plasmider, transposons etc.), og dermed ikke lar seg knytte til kromosomer v.h.a. standard metagenommikk.

The adult human gastrointestinal (GI) microbiome is a stable and complex ecological community comprised of trillions of microorganisms that play vital roles in health and disease. Establishment of this community in the infant is widely recognized a fundamental developmental process with lasting health effects. It is noteworthy that the infant GI microbiome acts as a reservoir for antimicrobial resistance genes (ARGs). The spread of antimicrobial resistance is considered one of the main threats to global public health. The proposed project will provide essential knowledge on the temporal dynamics of ARGs in the developing infant. As part of a recently concluded project funded by the Research Council of Norway, we have analyzed the microbiota of nearly 2700 fecal samples from 12 Norwegian infants during the first year of life. In terms of temporal resolution this sample set is by far the densest of its kind, and our analysis has produced the most detailed picture to date of the human gut colonization process on the microbial population level. There remains, however, a knowledge gap concerning the normal infant gut microbiome maturation process. For example, we still do not understand the ecological mechanisms causing increased ARG carriage in infant microbiomes compared with adults. Our proposed project will drastically extend current knowledge by creating a detailed, time-resolved characterization of the developing infant gut microbiome during the first year of life. To accomplish this, we will employ community level shotgun metagenomic sequencing coupled with emulsion-PCR based techniques. The goal will be to develop conceptual and statistical modes of this vital developmental process with a particular focus on ARG dynamics. Furthermore, we will analyze a large subset of fecal samples (>100) from the comprehensive Norwegian PreventADALL study in order to map natural variability in the timing of key events during early development.