Analysis of spatio-temporal distribution of drug resistance genes in river water with single-cell genome sequencing

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K19980
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 63040:Environmental impact assessment-related
• Research Institution: Waseda University (2021); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2020)
• Principal Investigator: nishikawa yohei 早稲田大学, ナノ・ライフ創新研究機構, 次席研究員(研究院講師) (90867277)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: シングルセル / 全ゲノム解析 / 薬剤耐性遺伝子 / 環境微生物 / マイクロ流体デバイス

Outline of Final Research Achievements

River water was sampled twice from seven sites in the Tama River, and metagenomic and single-cell genomic analyses were conducted. The former analysis revealed that the bacterial composition changed from upstream to downstream of the Tama River, and revealed the distribution of Antibiotic Resistance Genes (ARGs) at each sampling site. In the latter analysis, we obtained 3,345 single amplified genomes (SAGs) across 26 phyla and 329 genera, which enabled the detection of ARGs from novel and uncultured bacterial strains by linking "ARG types" and "bacterial phylogeny”. We also identified 19 ARGs that are commonly detected among different bacterial lineages, and evaluated that the possibility of plasmid-based horizontal gene transfer by referring to the database.

Free Research Field

生命分子工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、河川水中のARGの分布・伝播の評価において、1細胞レベルでのゲノム解析が有用であることが示唆された。個々の細胞のゲノム情報を詳細に解析することにより、メタゲノム由来の配列からは検出が難しいARGが検出可能であることが明らかとなった。また本技術では、ARG保有細菌の割合評価や、多種類のARGを保有する細菌系統の同定に応用が可能であり、対象地点の環境パラメータを合わせて取得することで、環境のリスク評価にも適用できると考えられる。さらに今後は、1細胞ゲノム解析技術とロングリードシーケンサ等の技術を組み合わせることにより、より詳細なARGの伝播解析が可能になると考えられる。