Bacterial diversity and detection of resistance genes to broad-spectrum betalactams in dairy family farm soils / Diversidade bacteriana e detecção de genes de resistência a betalactâmicos de amplo espectro em solos de propriedade familiar leiteira

Bovine mastitis is a complex disease that brings great losses to the dairy producer. The microbial diversity of the soils, as well as the presence of resistance genes in the environment directly influence the maintenance of mastitis in the farm. The objective of this work was to analyze the bacterial diversity in pasture soils of a dairy family farm, detecting enterobacteria that may be involved in the etiology of bovine mastitis, and to detect genes that encode broad-spectrum betalactamases in these soils. Twelve soil samples, representative of different areas of the farm located in the municipality of Barra do Piraí, Rio de Janeiro, were collected at different times of the year. Total DNA was extracted from the samples, gene amplified by Nested-PCR and then the amplification products were separated by DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis). With the DGGE it was possible to construct dendograms that effectively represented the bacterial diversity of these soils. Eight of the soil samples were used to amplify the genes encoding the betalactamase enzymes TEM (blaTEM gene), SHV (blaSHV gene) and CTX (blaCTXM gene). In three of the eight soil samples, the blaSHV gene was found to be present. The blaTEM and blaCTX-M genes were not detected in any of the samples. The detection of genes encoding broad-spectrum betalactamases in dairy cattle pasture soils is of concern, because the transfer of gene material between pathogenic and non-pathogenic bacteria in this environment is a reality

A mastite bovina é uma doença complexa que traz grandes prejuízos ao produtor de leite. A diversidade micro-biana dos solos, bem como a presença de genes de resistência no ambiente, influencia diretamente a manutenção da mastite na fazenda. O objetivo deste trabalho foi analisar a diversidade bacteriana em solos de pastagem de uma propriedade familiar leiteira, detectando enterobactérias que possam estar envolvidas na etiologia da mastite bovina, e detectar genes que codificam betalactamases de amplo espectro nesses solos. Doze amostras de solo, representativas de diferentes áreas da fazenda localizada no município de Barra do Piraí, Rio de Janeiro, foram coletadas em diferentes épocas do ano. O DNA total foi extraído das amostras, o gene foi amplificado por Nested-PCR e, em seguida, os produtos de amplificação foram separados por DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis). Com a DGGE, foi possível construir dendogramas que representavam efetivamente a diversidade bacteriana desses solos. Oito das amostras de solo foram usadas para amplificar os genes que codificam as enzimas betalactamase TEM (gene blaTEM), SHV (gene blaSHV) e CTX (gene blaCTXM). Em três das oito amostras de solo, foi constatada a presença do gene blaSHV. Os genes blaTEM e blaCTX-M não foram detectados em nenhuma das amostras. A detecção de genes que codificam betalactamases de amplo espectro em solos de pastagens de gado leiteiro é preocupante, pois a transferência de material genético entre bactérias patogênicas e não patogênicas nesse ambiente é uma realidade

Bactérias resistentes a antibióticos em ambiente aquático: efeito na produção animal / Antibiotic resistant bacteria in aquatic environment: effect on animal production

Objetivou-se discorrer sobre bactérias resistentes a antibióticos veiculadas em ambientes aquáticos, considerando os mecanismos, formas de aquisição e os efeitos à produção animal. A utilização de antibióticos para fins profiláticos, terapêuticos e agropecuários cresceu em larga escala nos últimos anos, levando à perda de eficiência no combate a patógenos. A crise atual dos antibióticos é decorrente de uma falha geral em compreender de forma abrangente a evolução, as fontes, a disseminação e os mecanismos moleculares da resistência, pois os reservatórios ambientais potenciais e suas diversidades genéticas de resistência associadas geralmente não são considerados no desenvolvimento de drogas. Assim, a pressão de seleção aplicada pelos antibióticos em diversos ambientes tem promovido a evolução e disseminação de genes de resistência bacteriana em escala mundial, nos mais variados tipos de ambientes. Resíduos antibióticos persistem no solo e em ambientes aquáticos, este último, atuando como importante reservatório de bactérias, facilitando a troca de material genético entre bactérias ambientais e patogênicas e permitindo a disseminação de genes e modificações no resistoma ambiental. Desta forma, existe uma preocupação tanto para a medicina humana quanto a veterinária devido a diversidade de doenças causadas em humanos e animais domésticos por bactérias multirresistentes. Entender as origens, diversidade e mecanismos de resistência com potencial para impactar animais de produção é de grande importância para identificar os riscos associados a interação entre bactérias de diferentes ecossistemas e o impacto destas à produção animal, seja pelo comprometimento da saúde dos animais e/ou pela contaminação dos produtos produzidos por estes e consequentes danos à saúde humana.

The present review aimed to discuss antibiotic-resistant bacteria transmitted in aquatic environments, regarding the mechanisms, forms of acquisition, and the effects on animal production. The use of antibiotics for prophylactic, therapeutic, and agricultural purposes has grown on a large scale in recent years, leading to a loss of efficiency in combating pathogens. The current antibiotic crisis arises from a general failure to comprehensively understand the evolution, sources, dissemination, and molecular mechanisms of resistance, as potential environmental reservoirs and their associated resistance genetic diversity are generally not considered in drug development. Thus, the selection pressure applied by antibiotics in different environments has promoted the evolution and dissemination of bacterial resistance genes on a worldwide scale, in the most varied types of environments. Antibiotic residues persist in soil and aquatic environments, the latter acting as an important reservoir of bacteria, facilitating the exchange of genetic material between environmental and pathogenic bacteria and allowing the dissemination of genes and modifications in the environmental resistome. Thus, there is a concern for both human and veterinary medicine due to the diversity of diseases caused in humans and domestic animals by multiresistant bacteria. Understanding the origins, diversity, and resistance mechanisms with the potential to impact farm animals is of great importance to identify the risks associated with the interaction between bacteria from different ecosystems and their impact on animal production, either by compromising the health of animals and/or by the contamination of products produced by them and consequent damage to human health.

Genótipos e Fenótipos de Resistência a Metais Pesados e Agrotóxicos em Patógenos de Alto Risco em Saúde Única / Genotypes and Phenotypes of Resistance to Heavy Metals and Pesticides in High-Risk Pathogens in Single Health

As atividades industriais e de agronegócio, embora necessárias para o desenvolvimento da sociedade, tem causado sérios problemas ambientais devido à eliminação inadequada de seus efluentes, sendo o tratamento destes um dos assuntos mais importantes em relação ao controle de poluição. Os microrganismos podem ser utilizados como biomarcadores de contaminação, portanto, o conhecimento de mecanismos associados à resistência e a capacidade de imobilização e biotransformação de poluentes é um fator importante para a identificação de linhagens adaptadas, que podem ser eficientes no tratamento e na recuperação de áreas contaminadas. O objetivo do presente projeto foi avaliar o perfil de tolerância de patógenos bacterianos de alto risco em saúde única, aos metais pesados (mercúrio, prata, telúrio e arsênio) e ao agrotóxico glifosato; identificando o resistoma associado. A correlação fenótipo-genótipo foi avaliada em isolados de Klebsiella pneumoniae (n= 35), Escherichia coli (n=46), e Salmonella spp. (n=19), determinando a CIM pelo método de microdiluição, e analisando as respectivas sequências genômicas. Entre os isolados de K. pneumoniae, 32 cepas apresentaram CIM elevadas (64- 512µg/mL) para o metal prata, dos quais 20 carregam o operon silPABCRSE responsável por conferir resistência. Uma cepa de K. pneumoniae carregando genes terABCE apresentou uma CIM de 64 µg/mL para telúrio. Seis cepas de E. coli apresentaram uma CIM >32 µg/mL para telúrio, sendo que 3 cepas carregam os genes tehA/B. Outras 6 cepas de E. coli apresentaram CIM para prata de 256-512 µg/mL, mas só duas carregaram genes silPFCE. Duas cepas de Salmonella apresentaram CIM 64-128 µg/mL para telúrio, e carregam genes tehA/B e terABCDEF. Em relação ao arsênio, 24 cepas de E. coli apresentaram uma CIM ≥ 512 µg/mL, e destas, 12 cepas carregam os genes arsRBC. Salmonella spp., que carregam o gene merR apresentaram CIMs de 8-16 µg/mL para mercúrio. Não foi possível correlacionar a presença do operon phnC-P (sugerido como responsável pela tolerância ao glifosato) com CIMs elevadas para este composto. Os resultados obtidos suportam a hipóteses que a exposição de bactérias de origem humana, animal e ambiental, aos metais pesados pode estar contribuindo para a seleção de linhagens tolerantes, sendo que a tolerância à prata mediada pelo operon silPABCRSE em K. pneumoniae foi predominante no grupo clonal CG258, característica com potencial de biomarcador que pode ser utilizado para monitorar o impacto do uso deste metal nas diferentes atividades humanas. Neste trabalho foi possível padronizar a técnica de PCR com os genes do operon sil de interesse

Industrial and agribusiness activities have caused serious environmental problems due to the inadequate disposal of their effluents, the treatment of which being one of the most important issues in relation to pollution control. Microorganisms can be used as biomarkers of contamination, therefore the knowledge of mechanisms associated with resistance and the immobilization and biotransformation capacity of pollutants can be an important factor for the identification of adapted strains, efficient in the treatment and recovery of contaminated areas. The aim of this study was to evaluate the tolerance profile of critical priority bacterial pathogens relevant in One Health, to heavy metals (mercury, silver, tellurium, and arsenic) and to the pesticide glyphosate, identifying the associated resistome. The phenotype-genotype correlation was evaluated in antibiotic-resistant isolates of Klebsiella pneumoniae (n= 35), Escherichia coli (n= 46), and Salmonella spp. (n= 19), by MIC determination using the microdilution method, and by analysis of their respective genomic sequences. Among the isolates of K. pneumoniae, 32 strains showed elevated MIC (64-512 µg/mL) for silver metal, of which 20 carried the silPABCRSE operon responsible for conferring resistance. A strain of K. pneumoniae carrying terrace genes showed a MIC of 64 µg/mL for tellurium. Six strains of E. coli showed an MIC> 32 µg/mL for tellurium, with 3 strains carrying the Thea/B genes. Other 6 strainsof E. coli showed MIC for silver of 256-512 µg/mL, but only two carried silPFCE genes. Two strains of Salmonella showed MIC 64-128 µg/mL for tellurium and carried the/B and terABCDEF genes. In relation to arsenic, 24 strains of E. coli had a MIC 512 µg/mL, and of these, 12 strains carried the arsRBC genes. Salmonella spp., which carriedthe mer gene, had MICs of 8-16 µg/mL for mercury. It was not possible to correlate thepresence of the phonic-P operon (suggested as responsible for glyphosate tolerance) with elevated MICs for this compound. The silver tolerance mediated by the operon sil was a predominant feature in K. pneumoniae strains belonging to the clonal group CG258, suggesting a intrinsic property that has contributed to the persistence and wide dissemination of CG258 within a One Health context, which could be as a biomarkerto monitor the impact of the use of silver compounds and silver-based biomaterial on different human activities. In this work it was possible to standardize the PCR technique with the genes of the sil operon of interest

Resistome in gram-negative bacteria from soft cheese in Brazil / Resistoma em bactérias gram-negativas de queijo minas frescal no Brazil

Objective: evaluation of antibiotic resistance in Gram-negative microbiota from ready-to-eat cheese samples. Methodology: this research applied an adapted methodology to select from a food sample viable Gram-negative microbiota displaying antibiotic resistance. The selected food was a cheese that is commonly consumed without thermal processing, the Minas Frescal cheese. The evaluation was followed by a PCR screening in this resistant microbiota, for genes that provide resistance to antibiotics and also to the quaternary ammonium. Results: all cheese samples harbored a resistant microbiota. In 13.3% of the cheese samples analyzed, the resistance reached all ten different antibiotics tested and, in 80%, 8 to 10 different antibiotics. In antibiotics considered critics as the carbapenems: ertapenem presented resistant microbiota in 86.7% of the samples. In cephalosporins, the resistance reached 100% in the third generation (ceftazidime) and almost half of the samples (46.7%) in the fourth generation (cefepime). In genotypic research, seven different resistance genes were found in 69.2% of the bacterial pools, including the beta-lactamase-producing genes ctx, tem, shv, tetracycline-resistant genes, and a high rate of integrons class 1 and 2. Conclusion: the results indicate phenotypically and genotypically that the Minas Frescal cheese can harbor potential resistant microbiota. Therefore, the methodology used is a viable possibility and with a broader answer about the food microbiota role in resistance. This research corroborates the food area as an important sector to be managed to reduce the process of antibiotic resistance.

Objetivo: avaliação da resistência a antibióticos em microbiota Gram-negativa de amostras de queijo prontas para consumo. Metodologia: esta pesquisa aplicou uma metodologia adaptada para selecionar a microbiota Gram-negativa viável apresentando resistência a antibióticos em uma amostra de alimento. O alimento selecionado foi um queijo frequentemente consumido sem processamento térmico, o queijo Minas Frescal. A avaliação foi seguida de uma triagem por PCR, nesta microbiota resistente, para genes que fornecem resistência aos antibióticos e também ao quaternário de amônio. Resultados: todas as amostras de queijo apresentaram microbiota resistente. Em 13,3% dos queijos analisados essa resistência alcançou todos os 10 diferentes antibióticos testados e em 80% entre 8 e 10 antibióticos diferentes. Em antibióticos considerados críticos como os carbapenêmicos: ertapenem apresentou microbiota resistente em 86,7% das amostras. Nas cefalosporinas, a resistência atingiu 100% na terceira geração (ceftazidima) e quase a metade das amostras (46,7%) na quarta geração (cefepime). Na pesquisa genotípica, sete diferentes genes de resistência foram encontrados em 69,2% dos pools bacterianos, incluindo o genes produtores de beta-lactamase, genes de resistência à tetraciclina, ctx, tem, shv e uma alta taxa de integron classe 1 e 2. Conclusão: os resultados indicam fenotipicamente e genotipicamente que o queijo Minas Frescal pode apresentar uma potencial microbiota resistente. Portanto, a metodologia utilizada é uma possibilidade viável e com uma resposta mais ampla sobre o papel da microbiota na resistência. Esta pesquisa corrobora a área de alimentos como um setor importante a ser gerenciado para redução no processo de resistência a antibióticos.

Resistencia microbiana desde una perspectiva metagenómica / Microbial resistance from one metagenomic perspective

Resumen Objetivo. La finalidad de esta revisión es abarcar la temática relacionada con los genes de resistencia a antibióticos, sus orígenes, reservorios y movimientos en los diferentes hábitats mediante la metagenómica funcional que permite aislar, identificar y analizar estos genes, así como el impacto que tienen en salud pública. Durante los últimos años se ha visto un gran avance en la microbiología, una de las grandes limitaciones a las que se venían enfrentado los microbiólogos era no poder acceder a la totalidad de los microorganismos que habitan el planeta. Gracias al desarrollo de diferentes disciplinas como la metagenómica se ha logrado tener el acceso a estos microorganismos. Metodología. La importancia de la metagenómica en la resistencia microbiana radica en que, actualmente, solo el 1 % de los microorganismos que habitan el suelo pueden ser estudiados por técnicas convencionales de microbiología, quedando alrededor del 99 % de estos sin estudiar. Al mitigar este gran inconveniente, la metagenómica permite el estudio de la microbiota del suelo en su totalidad generando nuevo conocimiento e información relevante en diferentes campos científicos. Resultados. Mediante la metagenómica funcional se ha podido determinar que el suelo puede ser un posible reservorio de determinantes de resistencia microbiana, debido a que la microbiota que allí habita contiene en su material genético genes de resistencia a antibióticos que confieren resistencia a un amplio espectro de antibióticos utilizados en terapia humana de forma indiscriminada y además tienen todos los mecanismos de resistencia conocidos, algunos de estos genes son generados por presión selectiva ante diferentes agentes presentes en su medio y otros son genes constitutivos que cumplen con funciones significativas en su hábitat. El gran impacto que tienen estos hallazgos está dado en que pueden representar un posible riesgo en salud pública si se adquieren por los patógenos humanos.

Abstract Objective. The purpose of this review is to cover the issues related to antibiotic resistance genes, their origins, reservoirs and movements in different habitats through functional metagenomics that allows to isolate, identify and analyze these genes, as well as the impact they have on health public. During the last years a great advance in the microbiology has been seen, one of the great limitations to which the microbiologists had been facing was not being able to have access to the totality of the microorganisms that inhabit the planet. Thanks to the development of different disciplines such as metagenomics, access to these microorganisms has been achieved. Method. The importance of metagenomics in microbial resistance lies in the fact that currently only 1 % of the microorganisms that inhabit the soil can be studied by conventional microbiology techniques, leaving about 99 % of these without studying, the metagenomics by mitigating this great disadvantage allows the study of the soil microbiota in its entirety generating new knowledge and relevant information in different scientific fields. Results. Through functional metagenomics it has been possible to determine that the soil can be a possible reservoir of determinants of microbial resistance, because the microbiota that live there contain in their genetic material antibiotic resistance genes that confer resistance to a broad spectrum of antibiotics used in human therapy indiscriminately and also have all known mechanisms of resistance, some of these genes are generated by selective pressure against different agents present in their environment and others are constitutive genes that fulfill significant functions in their habitat. The great impact of these findings is that they can represent a possible public health risk if they were acquired by human pathogens.

Análisis genómico del resistoma de la cepa de Acinetobacter baumannii ABIBUN 107m multi-resistente y persistente en hospitales colombianos / Genomic analysis of the resistome of the strain of Acinetobacter baumannii ABIBUN 107m multi-resistant and persistent in colombian hospitals

Acinetobacter baumannii es una bacteria, causante de infecciones asociadas a la atención en salud como neumonía, septicemia, meningitis e infecciones urinarias entre otras. Se caracteriza por su capacidad para desarrollar y acumular rápidamente una gran variedad de mecanismos de resistencia a antibióticos. En esta investigación se realizó el análisis genómico de una cepa de A. baumannii ABIBUN 107m que forma parte de un clon persistente en hospitales colombianos, resistente a los antibióticos carbapenémicos (imipenem y meropenem), antibióticos de elección en el tratamiento infecciones causadas por este microorganismo. El genoma de esta bacteria fue secuenciado utilizando técnicas de alto rendimiento, ensamblado y anotado, obteniéndose un genoma constituido por 3954000 pb con 56 contigs; consta de 4256 genes con un tamaño promedio de 912 pb; 3796 CDS de los cuales por anotación 2884 se asignaron a COG; 57 tRNA y un porcentaje de GC de 38,74%. A. baumannii ABIBUN 107m es resistente a β-lactámicos, aminoglicósidos, quinolonas, tetraciclina, sulfonamida y colistina. En su genoma se localizaron genes asociados con el perfil de resistencia ya que presenta serin β-lactamasas (blaADC-38, blaOXA-64, blaOXA-23, bla ampC-like, bla amp(H)-like), metalo β-lactamasa_B; proteínas de unión a penicilina de elevada masa molecular, secuencias de inserción tipo ISAba1; mutaciones en los genes de DNA girasa y topoisomerasa IV subunidad A (gyrA y parC); enzimas modificadoras de aminoglicósidos (aphA-like, aad -like); cloranfenicol aciltransferasa (cat) y dehidropteroato sintasa (sul-1). Se identificaron genes pertenecientes a cinco familias de sistemas de eflujo (RND, MATE, MSF, ATP, SMR).

Acinetobacter baumannii is a bacterium causing health care associated infections such as pneumonia, septicemia, meningitis and urinary infections amongst others. It has great capacity to quickly develop and gather a big variety of drug resistance mechanisms. In this research, the genome of strain A. baumannii ABIBUN 107m was analyzed wich forms part of a persistent clon in Colombian hospitals and it’s also resistant to carbapenems (imipenem and meropenem), which are the election antibiotics for treatment of infections caused by this microorganism. The genome was sequenced using high performance technology, assembled and annotated. As a result, we obtained a 3954000 bp genome, with 56 contigs; 4256 genes with average size of 912 bp; 3796 CDS; 2884 were assigned to COG; 57 tRNA and GC percentage of 38,74%. The A. baumannii strain ABIBUN 107m, is resistant to the following antibiotic groups: β-lactams, aminoglycosides, quinolones, tetracycline, sulfonamide and colistin. Genes associated with this resistance profile were found in A. baumannii ABIBUN 107m genome serino β-lactamases (blaADC-38, blaOXA-64, blaOXA-23, bla ampC-like, bla amp(H)-like), metallo β-lactamase_B; High Molecular Mass penicillin binding proteins, ISAba1 type insertion sequences, mutations of DNA gyrase and topoisomerase IV subunit A (gyrA and parC); aminoglycoside modifying enzymes (aphA-like, aadA-like); choramphenicol acyltransferase (cat) and dehydropteroate synthase (sul-1). Genes belonging to five different efflux systems were identified (RND, MATE, MSF, ATP, SMR).