Development of the GARAPON method for estimating the prevalence of antimicrobial resistance gene in each bacterial species in water environment

• Project/Area Number: 22K19848
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: Watanabe Kozo 愛媛大学, 沿岸環境科学研究センター, 教授 (80634435)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 聡 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 寄附講座教授 (90196816)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 薬剤耐性菌 / メタバーコーディング解析 / DNAメタバーコーディング / 水環境 / 次世代シークエンサー / 遺伝子

Outline of Research at the Start

培養可能な細菌種は，環境試料からその種を単離培養することで，どのような薬剤耐性遺伝子を保有するかを把握できるが，培養方法が確立されていない培養不可菌の薬剤耐性遺伝子の実態は未解明である。また，環境試料から抽出した細菌群集DNAの定量PCR解析から，培養不可菌を含む群集がどの耐性遺伝子をどの程度保有するのかは解明されてきたが，「どの種」が保有するのかは未知のままである。本研究で開発するガラポン法で環境細菌群集を構成する各種の耐性遺伝子の保有率を推定できれば，薬剤耐性菌研究にブレークスルーを起こすこととなる。

Outline of Final Research Achievements

To estimate "which species" of bacterial communities in water environments possess "which antibiotic resistance genes," we developed a method called Gene Analysis of Randomized Populations (GARAPON), which estimates the species possessing resistance genes based on changes in the resistance gene possession rate of sample bacterial communities whose community structure (species composition and relative abundance of each species) was forcibly altered from the original bacterial community. The accuracy of the estimates varied significantly depending on the resistance gene. Among the eight resistance genes targeted for estimation, the resistance genes aada2, tetM, and tetG, possessed by only 9, 7, and 3 genera out of 37, respectively, were estimated with relatively high accuracy rates of 3/9, 4/7, and 3/3.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発したガラポン法の精度を更に向上させることで，薬剤耐性菌研究にブレークスルーを起こすこととなる。例えば，薬剤耐性遺伝子の病原菌への種間の水平伝播が，環境中の主要な培養不可菌を起源（リザバー）とする現象が証明できれば，細菌群集全体を俯瞰した薬剤耐性遺伝子の環境中動態の解明を可能にする。さらに，薬剤耐性菌だけではなく，例えば，環境微生物から有用な機能性遺伝子（例，環境浄化遺伝子）を有する種を探索する研究分野においても，培養不可菌を含む幅広い細菌からの種の探索を可能にするなど，その適用範囲は極めて広い。

Research Products

• [Journal Article] Recommendations of key elements within an integrated monitoring framework of antimicrobial resistance for Asian countries (2024)
  • Author(s): Honda, R., Kumar, M., Mardalisa, Wang, R., Sabar, M. A., Chaminda, T., Sirikanchana, K., Makkeaw, P., Sulfikar, Ju, F., Jiang, G., Li, B., Chiemchaisri, C., Gomi, R., Amarasiri, M., Venter, H., Nishiyama, M., Watanabe, T., Ihara, M., Kasuga, I., Watanabe, K. and Suzuki, S.
  • Journal Title: Environmental Science & Technology Letters Volume: 11 (1) Issue: 1 Pages: 5-8
  • DOI: 10.1021/acs.estlett.3c00820
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Marine bacteria harbor the sul4 sulfonamide-resistance gene without mobile genetic elements (2023)
  • Author(s): Shindoh, S., Kadoya, A., Kanechi, R., Watanabe, K., Suzuki, S.
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 14 Pages: 1230548-1230548
  • DOI: 10.3389/fmicb.2023.1230548
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bacterial Diversity and Antibiotic Resistance Genes Associated with the Different Farming Systems of Black Tiger Shrimp (Penaeus monodon) in Bangladesh (2023)
  • Author(s): Zakaria Md.、Sanyal Santonu K.、Haque Md. Inja-Mamun、Mandal Shankar Chandra、Watanabe Kozo、Hossain Anwar
  • Journal Title: Aquaculture Research Volume: 2023 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1155/2023/6255586
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 異なる環境条件での薬剤耐性遺伝子の伝達率の比較：個体群動態モデルの適用 (2023)
  • Author(s): 植田亮太、三浦郁修、阪本愛、門屋綾、鈴木聡、渡辺幸三
  • Organizer: 第57回日本水環境学会年会