Method Article
This protocol describes the detection of class 1 integrons and their associated gene cassettes in foodstuffs.
Antibiotic resistance is one of the greatest threats to health in the 21st century. Acquisition of resistance genes via lateral gene transfer is a major factor in the spread of diverse resistance mechanisms. Amongst the DNA elements facilitating lateral transfer, the class 1 integrons have largely been responsible for spreading antibiotic resistance determinants amongst Gram negative pathogens. In total, these integrons have acquired and disseminated over 130 different antibiotic resistance genes. With continued antibiotic use, class 1 integrons have become ubiquitous in commensals and pathogens of humans and their domesticated animals. As a consequence, they can now be found in all human waste streams, where they continue to acquire new genes, and have the potential to cycle back into humans via the food chain. This protocol details a streamlined approach for detecting class 1 integrons and their associated resistance gene cassettes in foodstuffs, using culturing and PCR. Using this protocol, researchers should be able to: collect and prepare samples to make enriched cultures and screen for class 1 integrons; isolate single bacterial colonies to identify integron-positive isolates; identify bacterial species that contain class 1 integrons; and characterize these integrons and their associated gene cassettes.
A descoberta dos antibióticos foi uma das maiores conquistas científicas do século 20. No entanto, o uso e abuso de antibióticos levou à rápida evolução de bactérias resistentes aos antibióticos, e estes agora representam uma séria ameaça para a saúde pública no século 21. O surgimento de cepas bacterianas resistentes à maioria das opções de tratamento levanta a possibilidade de que estamos entrando em uma era onde as drogas antimicrobianas não são mais eficazes 1,2.
A maquinaria genética que confere resistência aos antibióticos é um sistema antigo, anterior a seres humanos e pressões de seleção de antibióticos por milhões de anos 3. Elementos genéticos móveis, tais como plasmídeos, transposões, ilhas genômicas, elementos conjugativos integrativas e integrons podem disseminar genes de resistência a antibióticos (ARG) tanto dentro como entre espécies bacterianas 4. Destes, integrões têm desempenhado um papel central na propagação de Arg, apesar dafato de que eles dependem de plasmídeos e transposons de mobilização e de inserção no genoma bacteriano 5. Integrons capturar cassetes de genes que utilizam um íntegron-integrase, e, em seguida, expressar as cassetes utilizando um promotor codificado íntegron 6,7 (Figura 1). Integron gene cassetes são pequenos elementos móveis consistindo de quadros individuais de leitura abertas (ORF), cujos produtos podem conferir resistência a antibióticos ou desinfectantes 8. Classe 1 integrons são os integrons mais comumente recuperados a partir de isolados clínicos 5, onde têm adquiriu coletivamente mais de 130 diferentes cassetes de genes de resistência a antibióticos 9.
A propagação da classe 1 integrons em comensais e patogênicas de bactérias associadas a humanos gera fluxos de resíduos humanos que contêm um grande número destes elementos genéticos 10. Estima-se que 10 19 bactérias que contêm uma classe integrons são liberados via lodo de esgoto cada ano in o Reino Unido 11. Portanto, não é surpreendente que uma classe integrons conferem resistências a antibióticos estão agora a ser detectado em microbiota das aves selvagens, peixes e outros animais selvagens nativos 12-14. Soltar integrons volta para o ambiente constitui uma ameaça grave de saúde pública, desde a aquisição de novos cassetes de genes e rearranjos complexos com outros elementos móveis continua a ocorrer, particularmente em estações de tratamento de esgoto e outros corpos d'água 15-18. O ambiente natural, em seguida, torna-se um terreno fértil para o recrutamento de novos determinantes de resistência e patógenos oportunistas 19,20. Bactéria contendo integron novos e novos ARGs pode circular de volta para a comunidade humana através de água e alimentos contaminados 21,22. Vigilância de ARGs ambientais é uma estratégia fundamental para a compreensão e manejo da resistência aos antibióticos no futuro 23. Em particular, deve ser dada atenção aos géneros alimentícios que são comidos crus oulevemente cozidos, uma vez que estes apresentam a maior ameaça para a transmissão de novos elementos celulares e patógenos.
Neste protocolo, uma abordagem simplificada para a detecção, identificação e caracterização de classe 1 integrons e suas cassetes de genes associados nos alimentos são descritas (Figura 2). Usando uma combinação de reacção cultura e polimerase em cadeia (PCR), integrões pode ser rapidamente detectada em comunidades bacterianas e complexos isolados individuais. Métodos de identificação das espécies de bactérias e a conformação ea identidade das cassetes de genes associados a integron são dadas. O método é adequado para uma ampla variedade de alimentos de origem vegetal e animal, e exemplos de fluxos típicos são dados para cada um destes tipos de alimentos.
Os géneros alimentícios que são comidos crus ou levemente cozidos são de maior preocupação para a saúde humana. Exemplos incluem hortaliças, frutas, mariscos e crustáceos.
Coleção 1. Amostra
2. Enriquecido Cultura Preparação
3. As culturas de rastreio para integrons
NOTA: Os protocolos de PCR convencionais são utilizados ao longo desta metodologia, utilizando tampões fornecidos com a enzima, e uma concentração final de MgCl2 de 2,5 mM. Se necessário, Lorenz (2011) 24 delineou PCR otimização e solução de problemas métodos em uma edição anterior desta revista.
4. Triagem de colônias Individual para Classe 1 integrons
5. As colónias individuais Genomic DNA Extração de Integron-positivos Usando Bead Batendo 25
6. PCRs de Diagnóstico e seqüenciamento de DNA
NOTA: ODNA genómico preparado na seção 5 será usado para todos os PCRs de diagnóstico, e para confirmar o teste positivo para a classe 1 integrons.
7. Mapeamento e Caracterização de integrons e cassete Arrays
NOTA: Classe 1 integrons que emanam de ecossistemas dominados pelo homem tendem a ser os integrons mais comuns em todas as suas amostras. Estes integrons todos têm uma origem única recente e, portanto, têm uma sequência de DNA altamente conservado 5.
Triagem de culturas mistas e isolados bacterianos para intI1
O conjunto iniciador HS463a / HS464 PCR pode ser usado para detectar a presença do gene da integrase íntegron-classe 1, intI1 (Figura 1). Este conjunto de iniciadores para a detecção trabalha bem intI1 em culturas mistas, e também é utilizado para rastrear colónias bacterianas colhidas a partir de placas de propagação (Figura 2). Isolados positivos devem gerar uma única banda forte em 471 pb usando este conjunto de primers (Figura 3A). A maioria dos isolados positivos vai levar intI1 que tem originado a partir de seres humanos ou os animais agrícolas e domésticas. Estes isolados também será positivo numa PCR utilizando os iniciadores F165 / R476, que deverá gerar um amplicão de 311 pb (Figura 1). Fontes ambientais de intI1 geralmente não será positivo neste segundo ensaio.
Caracterização das matrizes cassete integron
O DNA genômico de isolados puros é utilizado para caracterização de matrizes de cassetes integron. As matrizes de cassetes de 402 Tn classe -associated um integrons pode ser amplificada utilizando iniciadores HS458 / HS459. Estes iniciadores alvo, respectivamente, o local de recombinação íntegron, e a extremidade 3 'da cassete de matriz, que normalmente termina em fusão de genes a qacEΔ sul1 (Figura 1). O tamanho dos produtos de PCR gerados neste ensaio varia de acordo com o número e identidade dos cassetes na matriz (Figura 3B). Classe ambiental 1 integrões são frequentemente incorporados nos cromossomas bacterianos, e suas matrizes de cassete pode ser amplificado por iniciadores que têm como alvo as extremidades proximal e a maioria dos locais de recombinação distais (Figura 1). Os iniciadores MRG284 / 285 são concebidos para amplificar esta região, e de novo, porque o conteúdo cassete varia, o tamanho dos produtos de amplificação também varia (Figura 3C). A sequenciação do HS458 / 459 PCRprodutos serão normalmente recuperar conhecidos determinantes de resistência a antibióticos, enquanto sequenciação MRG284 / 285 produtos de PCR serão geralmente recuperar cassetes de genes que codificam polipéptidos de função desconhecida.
Identificação de espécies bacterianas
As bactérias são identificadas usando 16S rDNA e banco de dados comparações. O ADN genómico é utilizado como um molde para a amplificação dos genes de ARNr 16S subunidade pequena. Utilizando os iniciadores sugerido, este deve gerar um amplicão de cerca de 1450 pb. Porque um grande número de colónias pode ser exibido em qualquer momento, é empregue um método de rastreio hierárquica. 16S produtos de PCR amplificados foram digeridos com a enzima de restrição Hinf 1, e estas digestões são separados em géis de agarose. Espécies individuais vai gerar padrões distintos após digerir, de tal modo que os isolados da mesma espécie podem ser facilmente identificados (Figura 3D). A sequenciação dos produtos de PCR do gene de ARNr 16S a partir de um máximo de trêsisola representando qualquer padrão de uma restrição permite a identificação eficiente de todas as espécies susceptíveis em uma coleção de integron isolados positivos.
Figura 1. Estrutura de classe 1 integrons. Diagramas esquemáticos de classe clínica e ambiental, mostrando uma integrons PCR locais de ligação primário que se refere o manuscrito. Classe 1 integrões consistir de um gene íntegron-integrase (intI1) que catalisa a captação e a expressão de cassetes de genes de modo a formar uma matriz de cassete. Antes do advento do uso de antibióticos, a maioria de classe 1 integrons foram cromossômica, e levou cassetes de genes cujas funções são ainda a ser determinado. Seleção forte via uso de antibióticos aumentou muito a abundância de uma variante de sequência de classe 1 integron associado ao Tn 402 transposon.Estes integrons 'clínicas' adquiriram matrizes de cassetes que codificam a resistência aos antibióticos. É estes integrons que estão atualmente poluentes ambientes naturais e da cadeia de produção de alimentos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. fluxograma esquemático para a detecção de uma classe integrões em produtos alimentares. Exemplos de alimentos são usados para inocular meios e gerar uma cultura bacteriana mista. Estas culturas mistas são rastreados quanto à presença de uma classe integrões, e culturas positivas utilizado para preparar placas recobertas. As colónias individuais das placas de propagação são novamente pesquisadas para integrons. As culturas positivas são purificados, o DNA extraído e caracterizado quanto ao teor de ADN por si só casseteQuencing. Seqüenciamento do gene 16S rRNA é usado para identificação de espécies. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. análise electroforética representativas do processo de triagem. (A) Rastreio colónias individuais utilizando os iniciadores intI1 HS463a / 464. As colónias positivas gerar uma forte banda única em 471 pb. (B) Amplificação de matrizes de cassetes de Tn 402 integrons utilizando iniciadores HS458 / 459. Este produto de PCR gera tamanhos variável dependente da identidade e tamanho das cassetes de componentes da matriz. A identificação destas cassetes exige sequenciação de ADN. (C) Amplificação de matrizes de cassetes de classe ambiental 1 integrons utilizando iniciadores MRG284 / 285. Este produto de PCR também gera tamanhos variável dependente da identidade e tamanho das cassetes de componentes na matriz, no entanto cassetes em matrizes ambientais é improvável que codificam a resistência aos antibióticos. (D) Rastreio dos produtos de PCR 16S por digestão com Hinf 1. Os isolados com padrões de restrição idênticos é provável que sejam da mesma espécie. Se um grande número de um único tipo de restrição são recuperadas, apenas alguns deles precisam ser sequenciado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
PCR | Gene alvo | Nome do iniciador | Direção | Sequência de 5 '- 3' | Condições Ciclismo | REFERÊnce |
HS463a / HS464 | Classe 1 Integron | HS464 | Para a frente | ACATGCGTGTAAATCATCGTCG | 94 ° C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 60 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Stokes et al., 2006 28 |
HS463a | Reversa | CTGGATTTCGATCACGGCACG | ||||
F27 / r1492 | 16S rRNA | F27 | Para a frente | AGAGTTTGATCMTGGCTCAG | 94 ° C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 60 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Lane, 1991 29 |
r1492 | Reversa | TACGGYTACCTTGTTACGACTT | ||||
intI1F165 / IntI1R476 | Classe clínica 1 integron | Inti1F165 | Para a frente | CGAACGAGTGGCGGAGGGTG | 94 ° C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 55 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Gillings de 2014 10 |
intI1R476 | Reversa | TACCCGAGAGCTTGGCACCCA | ||||
HS549 / HS550 | 3'CS Clínica Integron | HS549 | Para a frente | ACTAAGCTTGCCCCTTCCGC | 94 ° C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 65 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Stokes et al., 2006 28 |
HS550 | Reversa | CTAGGCATGATCTAACCCTCGG | ||||
HS458 / HS459 | Cassete matriz clínica | HS458 | Para a frente | GCAAAAAGGCAGCAATTATGAGCC | 946; C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 55 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Holmes et al., 2003 30 |
HS459 | Reversa | GTTTGATGTTATGGAGCAGCAACG | ||||
MRG284 / MRG285 | Cassete Ambiental | MRG284 | Para a frente | GTTACGCCGTGGGTCGATG | 94 ° C 3 min; 35 ciclos 94 ° C 30 seg, 55 ° C 30 seg, 72 ° C 1 min 30 seg; 72 ° C 5 minutos | Gillings et al., 2009 21 |
MRG285 | Reversa | CCAGAGCAGCCGTAGAGC |
Tabela 1. As sequências dos iniciadores e condições de PCR utilizados para a identificação de uma classe integrões e as suas cassetes de genes associados.
Os reagentes de PCR | Volume (uL) | Restrição reagentes Digest | Volume (uL) |
Água estéril | 21,5 | Água estéril | 23 |
10x GoTaq Branco | 25 | Tampão B | 5 |
Com ARNase A [1 mg / ml] | 0,5 | Albumina de soro bovino [1 mg / ml] | 1 |
Adiante Primer [50? M] | 0,5 | HinfI [10 unidades / ul] | 1 |
Reverter Primer [50 mM] | 0,5 | ||
Volume de Mastermix | 48 | Volume de Mastermix | 30 |
ADN molde | 2 | Template PCR | 20 |
O volume final de PCR | 50 | Restrição último volume digest | 50 |
Tabela 2. PCR e restrição digerir Mastermix constituintes.
A identificação de integrons e suas cassetes de genes associados é potencialmente um passo fundamental para prever o surgimento de novos patógenos oportunistas, acompanhamento de percursos para patógenos na cadeia alimentar humana e identificando nova resistência e virulência determinantes 8,21,26. O objetivo deste trabalho foi descrever uma abordagem simplificada para a triagem de amostras para a classe 1 integrons, caracterizando suas matrizes cassete e identificar as espécies de bactérias em que residem. Etapas críticas do protocolo envolvem boa prática de microbiologia e prevenção da contaminação PCR que iria gerar falsos positivos.
O protocolo descrito aqui pode ser facilmente modificado para detectar outros integrons clinicamente relevantes, incluindo a classe 2 e classe 3 integrons que também são encontrados em patógenos humanos. Ele também pode ser modificado para detectar integrões em comunidades microbianas a partir de água, os biofilmes, do solo ou de sedimento. Existem alguns limitations a esta técnica, que surgem a partir de uma dependência de cultura de células bacterianas. Muitas bactérias ambientais não são facilmente cultivável, e o protocolo descrito aqui não iria detectar estas espécies. A gama de espécies que são recuperados poderia ser expandida por meio de diferentes formulações de meios de bactérias e os tempos de incubação mais longos. No entanto, a maioria das espécies de interesse para a saúde humana são susceptíveis de crescer nas condições descritas aqui.
Este protocolo tem algumas vantagens sobre as técnicas que utilizam plaqueamento em meios seletivos. Não precisam ser feitas suposições sobre a identidade de determinantes de resistência realizadas por isolados individuais, e genes de resistência a novos podem ser recuperados e caracterizados. Em termos mais gerais, o fluxo de trabalho também pode ser adaptado para detectar qualquer elemento do mobilome resistome 27 ou que possam ser de interesse 4. Tais ensaios são importantes para a compreensão da dinâmica dos vários elementos de DNA envolvidas em umtibiotic resistência e crítica para a conservação do arsenal cada vez menor de compostos antimicrobianos.
Os autores não têm nada de relevante a divulgar.
Graças a Michaela Hall, Larissa Bispo e Gustavo Tavares de Assistência Técnica.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
GoTaq Colourless Mastermix | Promega | M7132 | Used in all PCRs |
RNAse (Ribonuclease A from bovine pancreas) | Sigma | R6513-10MG | Used in all PCRs |
HinFI restriction enzyme | Promega | R6201 | Used to digest 16S rDNA PCR poducts. Enzyme comes with optimal buffer and BSA |
100 bp ladder | GE Healthcare | 27400701 | Used as a size standard on all agarose gels |
GelRed DNA stain | Biotium | 41003 | CAUTION: Personal protection must be worn when handling this material |
Guanidinium thiocyanate | Life Technologies | AM9422 | CAUTION: Personal protection must be worn when handling this material |
CLS-TC Solution | MP Biomedicals | 6540409 | Resuspension solution used at the begining of the genomic DNA extraction |
Lysing Matrix E FastPrep tubes | MP Biomedicals | 116914500 | Tube required for mechanical disruption of bacterial cell walls. This code is used for packs of 500 tubes, smaller quantities are available. |
Binding matrix | MP Biomedicals | 116540408 | Diluted 1:5 with 6 M guanidinium thiocyanate and used in the genomic DNA extraction method. |
Fast Prep machine | MP Biomedicals | Number of options available | MP Biomedicals has a number of FastPrep machines available to purchase. Visit http://www.mpbio.com for more information |
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