Characterization of conjugative plasmids in the gut microbiota from a preterm twin pair

Abstract

The increasing spread of antibiotic resistance genes is becoming one of the most challenging issues for human health worldwide. The human gut holds a very high density of bacteria, which allows high rates of gene transmissions among the microbes living there. In this thesis, bacterial strains were isolated from the gut of a 20 days old preterm infant twin pair that had never received antibiotics. The isolates were screened for antibiotic resistance (AR) by antibiotic susceptibility test, and conjugative plasmids of the IncF IA, IncF IB and IncI1 group by quantitative PCR. The plasmid-containing isolates were further characterized by whole genome sequencing using Illumina MiSeq. The results revealed a high number of AR genes in both infants. Conjugative plasmids were present in 58% of the tested isolates, and where of IncF IB and IncI1. The IncI1 plasmid was shown to be transmissible, together with a high number of AR genes, through conjugation experiments. In addition to this, one strain was found to produce a colicin, which was able to inhibit the growth of some commensal gut bacterial strains. The conclusion from this study is that a large resistome is present in the gut of infants from a very early age, even without any antibiotic selective pressure. Conjugative plasmids carrying these AR genes were highly transmissible in conjugation experiments. Further studies of conjugative plasmids are important in order to expand our knowledge about the spread and persistence of AR genes in microbial communities.

Den økende spredningen av antibiotikaresistensgener er på vei til å bli et av verdens største utfordringer innen menneskers helse. Den humane tarmen har en meget høy tetthet av bakterier, noe som legger til rette for stor forekomst av genoverføring blant mikrobene som lever der. I denne avhandlingen ble tarmbakterier isolert fra et 20 dager gammelt prematurt tvillingpar som ikke hadde mottatt antibiotika. Isolatene ble undersøkt for antibiotikaresistens (AR), ved hjelp av antibiotika lappediffusjonstest, og konjugative plasmider av gruppene IncF IA, IncF IB, og IncI1, ved hjelp av kvantitativ PCR. Isolatene som inneholdt plasmider ble videre karakterisert ved hjelp av Illumina MiSeq helgenomsekvensering. Resultatene viste et høyt antall AR-gener hos begge spedbarn. Konjugative plasmider ble funnet hos 58% av de testede isolatene, og var av typen IncF IB og IncI1. IncI1 plasmidet ble vist å være overførbart sammen med et høyt antall AR-gener, via konjugasjonseksperimenter. I tillegg til dette ble én stamme funnet å kunne produsere en type colicin som hadde kapasitet til å inhibere vekst av enkelte kommensale tarmbakterielle stammer. Konklusjonen fra denne avhandlingen er at et stort resistom er tilstede i tarmen til spedbarn fra en veldig tidlig alder, selv uten antibiotisk selektiv påvirkning. Konjugative plasmider som var bærere av disse AR-genene var svært overførbare i konjugasjonsforsøk. Videre studier av konjugative plasmider er viktig for å utvide vår kunnskap om spredning av AR-gener i mikrobielle samfunn.