Konjugativ overføring av IncK og IncI1 plasmider med blaCMY-2 til Escherichia coli og Serratia spp. under forhold relevante for kyllingproduksjonen

Abstract

Antibiotikaresistens er et økende problem på verdensbasis og utgjør en alvorlig trussel mot folkehelsen. AmpC β-laktamase (AmpC)-produserende Escherichia coli har blitt hyppig påvist i produksjonskjeden for slaktekylling. Genet blaCMY-2 som koder for AmpC er lokalisert på plasmider og gir resistens mot cefalosporiner som regnes som kritiske for behandlingen av humane infeksjoner. Plasmidene kan spres til andre bakterier ved horisontal genoverføring, i tillegg til at de persisterer i produksjonskjeden uten seleksjonspress fra cefalosporinantibiotika . Målet med denne oppgaven var derfor å se på bakterienes evne til å overføre AmpC resistensplasmider av typen IncK og IncI1, med høy forekomst i norsk kyllingproduksjon . Overføring av plasmidene ble utført ved konjugasjonsforsøk både innen og mellom E. coli og miljøbakterien Serratia, under forhold som er relevante for matproduksjonen . Både E. coli og Serratia spp. transkonjuganter oppnådd i forsøkene ble inkludert som donor av IncK plasmidet, mens E. coli ble brukt som donor av IncI1 plasmidet. Konjugasjonsforsøkene ble utført i biofilm, buljong og på agar ved 12, 25 og 30°C (Serratia spp.) eller 37°C (E. coli). Uttak ble utført ved flere tidspunkt mellom 4 og 168 timer. Evnen til å overføre IncK plasmidet hos E. coli og Serratia spp. transkonjuganter ble også sammenlignet ved konjugasjon i buljong. IncK plasmid et ble overført til E. coli og Serratia spp. med både E. coli og Serratia spp. transkonjugant som donor. IncI1 plasmidet ble overført til E. coli. Begge plasmidene ble overført ved 25 og 30/37°C i biofilm og buljong. Ved konjugasjonsforsøk hvor det ble observert transkonjuganter, ble IncK og IncI plasmidet overført til resipient innen 72 timer i buljong, og mellom 24 og 168 timer i biofilm ved 25°C. Generelt sett ble plasmidene overført ved et tidligere tidspunkt i buljong enn i biofilm ved 25 og 30/37°C. Ingen transkonjuganter ble observert ved 12°C. Serratia marcescens og Serratia proteamaculans overførte IncK plasmidet i stor grad til E. coli i buljong. Resistenstesting viste at oppnådde transkonjuganter uttrykte en økt minste hemmende konsentrasjon (MIC)- verdi for antibiotika som AmpC har en enzymatisk aktivitet mot. Disse funnene indikerer at IncK plasmidet kan overføres innen arten E. coli og mellom Serratia spp. og E. coli, og at IncI1 plasmidet kan overføres mellom ulike E. coli under forhold relevante for kyllingproduksjonen. Serratia spp. kan dermed være en mulig bidragsyter i den horisontale spredningen av IncK plasmider og til persistens av denne type plasmider i miljøer der disse bakteriene forekommer.

Antibiotic resistance is an emerging problem worldwide, and constitutes a serious threat to human health care. AmpC β-lactamase (AmpC)-producing Escherichia coli has frequently been detected in the broiler production chain. The gene blaCMY-2 encoding AmpC is located on plasmids and confer resistance to cephalosporins considered critical for treatment of human infections. The plasmids can disseminate to other bacteria by horizontal gene transfer, in addition to their persistence in the production chain without any selection pressure from cephalosporin antibiotics. The aim of this study was therefore to investigate the ability of bacteria to transfer the AmpC resistance plasmids IncK and IncI1, with a high prevalence in the Norwegian broiler production. Plasmid transfer was performed by conjugation both within and between E. coli and the environmental bacteria Serratia, under conditions relevant to the food production. Both E. coli and Serratia species transconjugants obtained in the experiments were included as donors of the IncK plasmid, whereas E. coli was used as donor of the IncI1 plasmid. Conjugations were performed in biofilms, by broth mating and colony mating at 12, 25 and 30°C (Serratia spp.) or 37°C (E. coli). Samples were taken at several time-points ranging from 4-168 hours. Also, the ability of E. coli and Serratia spp. transconjugants to transfer the IncK plasmid was compared by broth mating. The IncK plasmid was transferred to E. coli and Serratia spp. with both E. coli and Serratia spp. transconjugants as donor. The IncI1 plasmid was transferred to E. coli. Both plasmids were transferred at 25 and 30/37°C in biofilm and broth. In conjugation experiments where transconjugants were observed, the IncK and IncI1 plasmid transferred to the recipient within 72 hours by broth mating, and between 24 and 168 hours in biofilm at 25°C. In general, plasmids were transferred at an earlier time-point by broth mating than in biofilm at 25 and 30/37°C. No transconjugants were observed at 12°C. Serratia marcescens and Serratia proteamaculans transferred the IncK plasmid to E. coli at a great extent by broth mating. Susceptibility testing showed that transconjugants expressed an increased minimum inhibitory concentration (MIC) against antibiotics at which AmpC is enzymatically active. These findings indicate that IncK plasmids have the ability to transfer within the species E. coli and between Serratia spp. and E. coli, and that the IncI1 plasmid can be transferred between different E. coli, under conditions relevant to the broiler production. Serratia spp. appears to be a possible contributor to the horizontal dissemination of IncK plasmids and the persistence of these plasmids in environments where these bacteria occur.