En storskalig genetisk och modelleringsstudie av Streptococcus pneumoniae har gett ny insikt om hur nyligen introducerade vacciner har eliminerat många stammar från arten, och de olika sätten på vilka de återstående bakterierna kan tävla om chansen att ersätta dem.

S. pneumoniae finns vanligtvis längst bak i näshålan, där det normalt är ofarligt. Dock, det kan flytta till andra kroppsliga platser, vilket resulterar i att det orsakar tusentals fall av allvarlig pneumokocksjukdom varje år i Storbritannien, och en mycket större sjukdomsbörda i många låg- eller medelinkomstländer. Dessa infektioner leder till lunginflammation, blodomloppsinfektioner eller meningit, och är vanligast hos små spädbarn och äldre. Som svar, två olika vacciner har introducerats för att bekämpa S. pneumoniae i Storbritannien:det 7-valenta vaccinet 2006, ersattes av det 13-valenta vaccinet 2010. Sedan barn började få vaccinet, förekomsten av pneumokocksjukdom har minskat.

Efter några år av rutinvaccination har många stammar av S. pneumoniae, inklusive de vanligaste sjukdomsframkallande, hade eliminerats. Än, bakterierna har inte blivit mindre vanliga i sin ofarliga livsmiljö längst bak i näshålan. Istället hade de vaccinriktade stammarna ersatts av andra som mer sällan orsakar sjukdom hos barn. Den senaste forskningen, publiceras i Naturekologi och evolution , ger en ny förklaring till hur detta kan ske.

Denna studie använde tre stora samlingar av genom, sekvenserad vid Wellcome Trust Sanger Institute, att följa effekterna av vaccination i Storbritannien, USA, och Nederländerna. Istället för att titta på förändringen i förekomsten av de enskilda stammarna själva, forskarna tittade på frekvensen av gener inom den mycket olika S. pneumoniae-populationen.

Medan olika S. pneumoniae-stammar dominerar på olika platser, den detaljerade informationen tillgänglig från helgenomsekvensering visade att varje S. pneumoniae-population var likartad när det gäller genfrekvenser. Detta var också fallet när man jämförde bakteriepopulationer vid starten av vaccinationsprogrammen med samma platser några år senare. Forskarnas beräkningsmodellering visade att det var högst osannolikt att detta inträffade av en slump.

För att noggrant utforska dynamiken i genfrekvenser, forskarna kallade på den mängd genetiska data som har samlats in nyligen och nya matematiska metoder för att jämföra datorsimuleringar med faktiska data. Den nya algoritmen utvecklad av Jukka Corander från Infection Genomics-teamet vid Sanger Institute möjliggjorde mer exakt modellering och påskyndade hastighetsresultaten kan uppskattas med hjälp av sådana modeller med upp till 10, 000-faldigt.

Resultaten tyder på vikten av en viss typ av naturligt urval, i vilka gener är mer fördelaktiga för bakterierna de finns i när de är sällsynta – därav namnet, "negativt frekvensberoende urval". Detta kan bero på konkurrens mellan bakteriestammar, och detaljerad analys av genomsekvenserna antyder de många sätt på vilka detta kan hända. Till exempel, S. pneumoniae-celler utsöndrar kemikalier för att förhindra tillväxt av andra stammar, är mottagliga för infektion av olika virus, anta olika strategier för att förvärva näringsämnen, och varierar i hur de känns igen av det mänskliga immunsystemet. Den relativa betydelsen av dessa olika processer är fortfarande inte väl förstått.

Denna modell lovar att kasta nytt ljus över varför vissa bakterier har så komplexa populationsstrukturer som gör dem svåra att helt eliminera genom vaccination. Författarna antar att det negativa frekvensberoende urvalet som sker på gennivå är en vanlig mekanism bland olika bakteriearter. När användningen av hel-genomsekvensering för epidemiologisk övervakning blir mer rutin, sådana studier kommer att ge en värdefull grund både för att utforma bättre kontrollstrategier, och för en mer grundlig förståelse av deras efterverkningar.