Forskare vid University of California San Diego School of Medicine har utvecklat en mikrobiell detektionsteknik som är så känslig att den tillåter dem att upptäcka så få som 50-100 bakterieceller som finns på en yta. Vad mer, de kan testa prover mer effektivt – upp till hundratals prover på en enda dag.

Tekniken validerades genom provtagning av hundratals ytor i tre olika miljöer:rymdfarkostens monteringsanläggning vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory vid California Institute of Technology; neonatal intensivvårdsavdelning (NICU) i Jacobs Medical Center vid UC San Diego Health; och en utrotningshotad anläggning för uppfödning av vit abalone vid National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) Southwest Fisheries Science Center i La Jolla, Calif.

Detaljer om tekniken, kallas KatharoSeq, publiceras 13 mars i tidskriften mSystems . ("Katharos" är grekiska för "ren, " och "Seq" är en förkortning för sekvensering.) KatharoSeq har redan avslöjat nya insikter om de tre testplatserna som kan hjälpa till att optimera hur Mars 2020 Rover monteras, hur bakterier spåras på sjukhus, och hur hotad vit abalone föds upp och återförs till naturen.

"Ju mer vi vet om de mikrobiella samhällena i en given miljö, desto mer sannolikt är det att vi kan omforma dem för att förbättra miljön och människors hälsa, " sa senior författare Rob Knight, PhD, professor i pediatrik och datavetenskap och teknik, och chef för Center for Microbiome Innovation vid UC San Diego.

Här är vad KatharoSeq har avslöjat hittills:

Rymdfarkostens monteringsanläggning vid Jet Propulsion Laboratory är där NASA bygger rymdfarkoster och maskiner för att skjutas upp i rymden. Ingenjörer och personal måste redogöra för varje biologisk organism som skickas ut i rymden för att förhindra kontaminering av andra planeter.

I denna del av studien, Knights team undrade om KatharoSeq skulle kunna upptäcka mikrober i vad som tros vara en steril anläggning. Av de tre testade platserna, rymdfarkostens monteringsanläggning hade den lägsta mikrobiella mångfalden. Men bakterier var fortfarande närvarande - KatharoSeq upptäckte 32 typer. Den vanligaste typen var Acinetobacter Iwoffi , som är förknippad med fottrafik.

Knights team kommer nu att arbeta med Jet Propulsion Laboratorys personal för att skapa en karta över mikroberna som lever i anläggningen under de kommande sex månaderna, inklusive Mars 2020 Rover. Deras mål är att skicka en steril rover till Mars.

NICU vid Jacobs Medical Center vid UC San Diego Health är relativt ny – det avancerade specialsjukhuset med 245 bäddar öppnade i La Jolla i slutet av 2016, cirka fyra månader innan prover samlades in för denna studie. 52-rums NICU designades för att ge varje baby och hans eller hennes familj ett privat rum, med tanken att det inte bara skulle ge en bättre patientupplevelse, men också förhindra smittspridning bland denna utsatta befolkning.

I den här studien, proverna på NICU innehöll fler bakteriearter än rymdfarkostens monteringsanläggning, men färre än anläggningen för uppfödning av vit abalone. I överensstämmelse med andra sjukhusfynd, forskarna som använde KatharoSeq fann att stafylokockbakterier var den mest framträdande typen i anläggningen, varav majoriteten var den ofarliga huden Staphylococcus epidermidis .

NICU har två sektioner - en med högre skärpa (en högre vårdgivare-till-patient-förhållande) och en med lägre skärpa. Teamet hittade fler stafylokockbakterier på ytorna av vingen med hög skärpa, som vid tidpunkten för studien korrelerade med en högre odlingshastighet i det området (sex positiva odlingar i 14 rum med hög skärpa, mot sex av fem av 37 rum med låg skärpa).

Använder KatharoSeq, ytor i ett av NICU-rummen testade positivt för bakterien Serratia marcescens . Utan att Knights team visste det vid den tiden, spädbarnet som bodde i det rummet hade haft en lunginfektion med den bakterien. Men de noterade att bakterierna var frånvarande från rummen på båda sidor, stödjer antagandet att privata patientrum utgör ett hinder mot infektion.

"Alla sjukhus har bakterier, " sa Knight. "Men det här är den typ av information vi ännu inte har - vilka bakterier finns där, och hur länge. Patogenövervakning kräver för närvarande att prover tas från patienter och skickas till odling, där labbtekniker väntar för att se vilka bakterier som växer i en petriskål. Att kunna övervaka och förutsäga patogener genom rutin, icke-invasiv provtagning av den byggda miljön och sekvensering för att identifiera bakterierna, snarare än att vänta på att kulturer ska växa, kan vara ett användbart tillvägagångssätt för att identifiera potentiella hotspots för överföring som för närvarande är okända."

I framtiden, medförfattare Jae Kim, MD, biträdande klinisk professor i pediatrik och nutrition medicinsk chef för Supporting Premature Infant Nutrition Program, och hans team hoppas kunna undersöka probiotiska ingrepp på NICU. De vill veta om behandling av patienter med nyttiga bakterier kan hjälpa till att förhindra kolonisering med patogena bakterier över tid, både på patienten och inom rummets byggda miljö.

NOAA:s Southwest Fisheries Science Center föder upp hotad vit abalone för att hjälpa till att återupprätta sina populationer i det vilda. Dessa skaldjur var det första marina ryggradslösa djuret som lades till i listan över hotade arter - i slutet av 1990-talet. Eftersom deras populationer har minskat delvis på grund av ett vissnande syndrom orsakat av en typ av Rickettsia bakterie, infektionskontroll är mycket viktigt för uppfödningsanläggningen, särskilt när abalone överförs från andra akvarier. Den vita abalonetanken tar emot havsvatten som UV-behandlats och filtrerats.

I den här studien, KatharoSeq upptäckte en mångfaldig mikrobiell gemenskap i de vita abalonetankarna. Forskarna hittade många typer av marina bakterier, inklusive symbiotiska arter som kan hjälpa fisken att smälta alger. Den vita abalonen hade fler bakterier gemensamma med sin omgivande miljö än med den närliggande röda abalonen. Men forskarna upptäckte inte något av det oroande Rickettsia . Går framåt, Knights team hoppas kunna arbeta med uppfödningsanläggningen för att fastställa den optimala mikrobiella sammansättningen av den vita abalonen och dess omgivande miljö för att förbättra transplantationsframgången.

"När det gäller människors och miljöns hälsa, sterilt är inte nödvändigtvis bättre, " sa medförfattaren Russ Vetter, en senior forskare vid NOAA Southwest Fisheries Science Center. "Vi vill jämföra vild och akvarieuppfödd abalone, och bättre förstå hur en akvarieuppfödad abalones bofasta bakterier hjälper eller skadar dem när de väl släpps ut i havet. Behöver de ett probiotiskt bad innan de släpps, eller kommer en annan diet att hjälpa till att förbereda dem? Vi vet inte än."

Tekniska detaljer . Den första författaren till denna studie, Jeremiah Minich, en doktorand som arbetar med sin avhandling i Knight's lab och i Eric E. Allens labb, PhD, docent vid UC San Diego Scripps Institution of Oceanography, svabbade var och en av dessa platser med skyddsrock och handskar för att undvika oavsiktlig kontaminering av miljöerna. Han tog proverna tillbaka till labbet på torris, körde dem sedan genom det typiska mikrobiella DNA-sekvenseringsprotokollet:extrahera DNA från proverna, amplifiera mikrobspecifika "streckkoder" kända som 16S rRNA med en teknik som kallas polymeraskedjereaktion (PCR), kör dem genom en sequencer och analysera data.

Det som är nytt i KatharoSeq är att Minich integrerade en samplingsstrategi, lämpliga positiva och negativa kontroller, DNA-extraktion med hög genomströmning och en magnetisk pärlbaserad DNA-sanering. De flesta forskare passerar sina prover genom ett filter i en kolonn för att rena DNA före sekvensering, men Minich och teamet upptäckte att mycket material oavsiktligt går förlorat på det sättet. Med KatharoSeq, forskarna förbättrade sin nivå av mikrobiell detektion med ungefär två storleksordningar och ökade hastigheten med vilken de kan behandla prover ungefär fem gånger, jämfört med standardprovtagnings- och sekvenseringsmetoder.

"Vi kan få resultat så snabbt som 48 timmar efter att vi fått ett biologiskt prov, ", sa Minich. "Och vi tror att vi skulle kunna göra det ännu snabbare när vi väl skalar upp det och införlivar mer automatisering i KatharoSeq-processen."