Штамм Staphylococcus hominis 23-2 из образца многолетней мерзлоты мыса Cопочная Карга Таймырского Долгано-Ненецкого муниципального района Красноярского края: оригинальная статья

ВВЕДЕНИЕ. Многолетняя мерзлота способна сохранять жизнеспособность древних микроорганизмов, в том числе патогенов животных и человека, на протяжении по меньшей мере тысячелетий. Изучение древних микробиомов, включая детерминанты устойчивости к антибиотикам, позволяет оценить потенциальные риски, связанные с распространением генетического материала древних микроорганизмов в современных экосистемах.
ЦЕЛЬ. Определить генетические особенности и патогенный потенциал штамма Staphylococcus hominis 23-2, выделенного из отложений древних (неоплейстоценовых) многолетнемерзлых пород на мысе Сопочная Карга (северо-запад полуострова Таймыр, Красноярский край), а также оценить разнообразие детерминант антибиотикорезистентности мерзлотного микробиома, компонентом которого является данный штамм.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. Образцы мерзлых пород отбирали с соблюдением протоколов предотвращения контаминации и использовали для выделения ДНК и микробиологического посева на питательные среды общего назначения. Геном выделенного штамма Staphylococcus hominis секвенировали на приборе DNBSEQ-G50 (MGI, Китай) с длиной прочтений 2 × 100 пар нуклеотидов (далее — п. н.). Метагеномное секвенирование проводили на секвенаторе DNBSEQ-G400 с длиной парноконцевых прочтений 150 п. н. Биоинформационная обработка результатов секвенирования штамма Staphylococcus hominis включала филогеномный анализ последовательности генома, идентификацию генов лекарственной устойчивости и патогенности. Результаты метагеномного секвенирования использовали для идентификации генов устойчивости к антибиотикам.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Выделен штамм Staphylococcus hominis 23-2. В структуре его генома идентифицированы последовательности гена устойчивости к макролидным антибиотикам (msr(A)) плазмидной локализации и гена устойчивости к фузидиевой кислоте (fusB). Филогеномный анализ свидетельствует в пользу близости генома изучаемого штамма к штаммам современных генетических линий. В структуре метагенома идентифицировано 78 уникальных генов устойчивости к антибиотикам, включая гены эффлюкс-насосов семейств MFS и RND, гены β-лактамаз и гены ферментов модификации аминогликозидов. В составе резистома присутствуют последовательности генов резистентности к антибиотикам «последней линии»: гликопептидам (vanR), карбапенемам (металло-β-лактамазы, SHN-1, OXA-60) и полимиксину (pmr).
ОБСУЖДЕНИЕ. Результаты исследования свидетельствуют о широкой представленности генов лекарственной устойчивости в образце арктической мерзлоты на мысе Сопочная Карга. При этом наличие в структуре генома штамма Staphylococcus hominis 23-2 генов лекарственной устойчивости, наряду с плазмидными и профаговыми последовательностями, позволяет предположить возможность мобилизации данным штаммом компонентов древнего резистома.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Исследование продемонстрировало принципиальную возможность сохранения в отложениях неоплейстоценовой мерзлоты мыса Сопочная Карга штаммов стафилококков, несущих гены лекарственной устойчивости и обладающих патогенным потенциалом. Полученные результаты обосновывают целесообразность мониторинга динамики распространения генов лекарственной устойчивости в качестве элемента региональных программ оценки биологических рисков, связанных с изменением климата в прибрежных экосистемах Арктики.

1. Гончаров А. Е., Колоджиева В. В. Медицинская палеомикробиология: проблемы и перспективы // Антибиотики и химиотерапия. 2021. T. 66, № 5–6. С. 72–77 doi: 10.24411/0235-2990-2021-66-5-6-72-77.

2. Saleem M. M., Elahi N., Athar R., Gul A., Adil M., Ellahi A., Kashif H., Hojeij M. The Petri dish under the ice: permafrost pathogens and their impact on global healthcare and antibiotic resistance. Ann Med Surg (Lond), 2024, Vol. 86, No. 12, pp.7193–7201. doi: 10.1097/MS9.0000000000002650.

3. Grigoriev S. E., Fisher D. C., Obadă T., Shirley E. A., Rountrey A. N., Savvinov G. N., Garmaeva D. K., Novgorodov G. P., Cheprasov M. Y., Vasilev S. E., Goncharov A.E., Masharskiy A., Egorova V. E. , Petrova P. P., Egorova E. E., Akhremenko Ya. A., van der Plicht J., Galanin A. A., Fedorov S. E., Ivanov E. V., Tikhonov A. N. A woolly mammoth (Mammuthus primigenius) carcass from Maly Lyakhovsky Island (New Siberian Islands, Russian Federation). Quaternary Int, 2017, Vol. 445, pp. 89–103.

4. Goncharov A., Grigoriev S., Karaseva A., Kolodzhieva V., Azarov D., Akhremenko Y., Tarasova L., Tikhonov A., Masharskiy A., Zueva L., Suvorov A. Draft Genome Sequence of Enterococcus faecium Strain 58m, Isolated from Intestinal Tract Content of a Woolly Mammoth, Mammuthus primigenius. Genome Announc, 2016, Vol. 4, No. 1, pp. e01706–01715. doi:10.1128/genomeA.01706-15.

5. Timofeev V., Bahtejeva I., Mironova R., Titareva G., Lev I., Christiany D., Borzilov A., Bogun A., Vergnaud G. Insights from Bacillus anthracis strains isolated from permafrost in the tundra zone of Russia. PLoS One, 2019, Vol. 14, No. 5, pp. e0209140. doi:10.1371/journal.pone.0209140.

6. Liskova E. A., Egorova I. Y., Selyaninov Y. O., Razheva I. V., Gladkova N. A., Toropova N. N., Zakharova O. I., Burova O. A., Surkova G. V., Malkhazova S. M., Korennoy F. I., Iashin I. V., Blokhin A. A. Reindeer Anthrax in the Russian Arctic, 2016: Climatic Determinants of the Outbreak and Vaccination Effectiveness. Front Vet Sci, 2021, Vol. 24, No. 8, pp. 668420. doi: 10.3389/fvets.2021.668420.

7. Rigou S., Christo-Foroux E., Santini S., Goncharov A., Strauss J., Grosse G., Fedorov A. N., Labadie K., Abergel C., Claverie J. M. Metagenomic survey of the microbiome of ancient Siberian permafrost and modern Kamchatkan cryosols. Microlife, 2022, Vol. 7, No. 3, pp. 003. doi: 10.1093/femsml/uqac003.

8. Гусев Е. А., Молодьков А. Н., Деревянко Л. Г. Cопкаргинский мамонт, время и условия его обитания (cевер Западной Сибири) // Успехи современного естествознания. 2015. № 1–3. С. 432–435

9. Pitulko V. V., Tikhonov A. N., Pavlova E. Y., Nikolskiy P. A., Kuper K. E., Polozov R. N. Paleoanthropology. Early human presence in the Arctic: Evidence from 45,000-year-old mammoth remains. Science, 2016, Vol. 351, No. 6270, pp. 260–263. doi: 10.1126/science.aad0554.

10. Zhang L., Thomas J. C., Miragaia M., Bouchami O., Chaves F., d’Azevedo P. A., Aanensen D. M., de Lencastre H., Gray B. M., Robinson D. A. Multilocus sequence typing and further genetic characterization of the enigmatic pathogen, Staphylococcus hominis. PLoS One, 2013, Vol. 8, No. 6, pp. e66496. doi: 10.1371/journal.pone.0066496.

11. Kashuba E., Dmitriev A. A., Kamal S. M., Melefors O., Griva G., Römling U., Ernberg I., Kashuba V., Brouchkov A. Ancient permafrost staphylococci carry antibiotic resistance genes. Microb Ecol Health Dis, 2017, Vol. 28, No. 1, pp. 1345574. doi: 10.1080/16512235.2017.1345574.

12. Sannino C., Qi W., Rüthi J., Stierli B., Frey B. Distinct taxonomic and functional profiles of high Arctic and alpine permafrost-affected soil microbiomes. Environ Microbiome, 2023, Vol. 18, No. 1, pp. 54. doi: 10.1186/s40793-023-00509-6.

13. Marimuthu K. Isolation and characterization of Staphylococcus hominis JX961712 from oil contaminated soil. Journal of pharmacy research, 2013, Vol. 7, No. 3, pp. 252–256.

14. Aftab Uddin M., Akter S., Ferdous M., Haidar B., Amin A., Shofiul Islam Molla A. H. M., Khan H., Islam M. R. A plant endophyte Staphylococcus hominis strain MBL_AB63 produces a novel lantibiotic, homicorcin and a position one variant. Sci Rep, 2021, Vol. 11, No. 1, pp. 11211. doi: 10.1038/s41598-021-90613-9.

15. Rakitin A. L., Ermakova A. Y., Beletsky A. V., Petrova M., Mardanov A. V., Ravin N. V. Genome Analysis of Acinetobacter lwoffii Strains Isolated from Permafrost Soils Aged from 15 Thousand to 1.8 Million Years Revealed Their Close Relationships with Present-Day Environmental and Clinical Isolates. Biology (Basel), 2021, Vol. 10, No. 9, pp. 871. doi: 10.3390/biology10090871.

16. Goncharov A., Grigorjev S., Karaseva A., Kolodzhieva V., Azarov D., Akhremenko Y., Tarasova L., Tikhonov A., Masharskiy A., Zueva L., Suvorov A. Draft Genome Sequence of Enterococcus faecium Strain 58m, Isolated from Intestinal Tract Content of a Woolly Mammoth, Mammuthus primigenius. Genome Announc, 2016, Vol. 4, No. 1, pp. e01706-15. doi:10.1128/genomeA.01706-15.

17. Goncharov A., Grigorjev S., Karaseva A., Kolodzhieva V., Azarov D., Akhremenko Y., Tarasova L., Tikhonov A., Masharskiy A., Zueva L., Suvorov A. Reply to “Isolating Viable Ancient Bacteria: What You Put In Is What You Get Out”. Genome Announc, 2016, Vol. 4, No. 4, pp. e00734-16. doi: 10.1128/genomeA.00734-16.

18. Rigou S., Christo-Foroux E., Santini S., Goncharov A., Strauss J., Grosse G., Fedorov A. N., Labadie K., Abergel C., Claverie J. M. Metagenomic survey of the microbiome of ancient Siberian permafrost and modern Kamchatkan cryosols. Microlife, 2022, Vol. 7, No. 3, pp. 003. doi: 10.1093/femsml/uqac003.

19. Муратов И. Н., Ибраева А. Ш., Тимергазина Л. Л., Полищук Ю. М. Дистанционное исследование термокарстовых озер арктической тундры Таймыра. Вестник Югорского государственного университета. 2021. № 17(1). C. 62–71doi: 10.17816/byusu20210162-71.

20. Haan T. J., Drown D. M. Unearthing Antibiotic Resistance Associated with Disturbance-Induced Permafrost Thaw in Interior Alaska. Microorganisms, 2021, Vol. 9, No. 1, pp. 116. doi: 10.3390/microorganisms9010116.