水環境中細菌の種ごとの薬剤耐性遺伝子保有率を推定するガラポン法の開発

• 研究課題/領域番号: 22K19848
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分63:環境解析評価およびその関連分野
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 渡辺 幸三 愛媛大学, 沿岸環境科学研究センター, 教授 (80634435)
• 研究分担者: 鈴木 聡 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 寄附講座教授 (90196816)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

水環境中の細菌群集の「どの種が」「どの薬剤耐性遺伝子を」保有しているかを推定するために、母細菌群集から強制的に群集構造（種構成、各種の相対量）を変更させた標本細菌群集の薬剤耐性遺伝子の保有率の変化に基づいて、耐性遺伝子を有する種を推定するGene Analysis of Randomized Populations (GARAPON：ガラポン法)を開発した。推定の正答率は、耐性遺伝子によって大きく異なっていた。推定対象の８つの耐性遺伝子のうち、37属中9，7、3属だけが有していた耐性遺伝子aada2,tetM,tetGは、3/9，4/7、3/3の比較的高い正答率でその存在を推定できた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [雑誌論文] Recommendations of key elements within an integrated monitoring framework of antimicrobial resistance for Asian countries (2024)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Environmental Science & Technology Letters 巻: 11 (1) 号: 1 ページ: 5-8
  • DOI: 10.1021/acs.estlett.3c00820
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Marine bacteria harbor the sul4 sulfonamide-resistance gene without mobile genetic elements (2023)
  • 著者名/発表者名: Shindoh, S., Kadoya, A., Kanechi, R., Watanabe, K., Suzuki, S.
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 14 ページ: 1230548-1230548
  • DOI: 10.3389/fmicb.2023.1230548
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Bacterial Diversity and Antibiotic Resistance Genes Associated with the Different Farming Systems of Black Tiger Shrimp (Penaeus monodon) in Bangladesh (2023)
  • 著者名/発表者名: Zakaria Md.、Sanyal Santonu K.、Haque Md. Inja-Mamun、Mandal Shankar Chandra、Watanabe Kozo、Hossain Anwar
  • 雑誌名: Aquaculture Research 巻: 2023 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1155/2023/6255586
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 植田亮太、三浦郁修、阪本愛、門屋綾、鈴木聡、渡辺幸三
  • 学会等名: 第57回日本水環境学会年会