From the clinic to the farm: Applying sequencing and de novo assembly to characterize One-Health bacterial pathogens

Abstract

Les infeccions causades per bacteris resistents a múltiples antibiòtics son una amenaça tant per a la salut animal com la humana degut a la limitació en el tractament, la qual pot portar a complicacions clíniques severes, estades hospitalàries més llargues o, fins i tot, a la mort. Els bacteris resistents a múltiples antibiòtics poden ser transmesos al medi ambient, a altres animals o a humans a través de diferents vies, tals com la contaminació fecal o per la cadena alimentària. En aquest escenari, l’aproximació One-Health considera la salut com una entitat global, incloent la humana, l’animal i la mediambiental. L’objectiu d’aquesta tesis és optimitzar l’ús de reads llargs en la seqüenciació de genoma complet (whole-genome sequencing) per a la caracterització del cromosoma i plasmidis bacterians, incloent la presència de gens de resistència a antibiòtics, elements genètics mòbils, i factors de virulència. Mitjançant l’ús de seqüenciació de genoma complet amb reads llargs hem muntat de novo cromosomes i plasmidis en contigs únics per a Staphylococcus pseudintermedius aïllats en gossos, Escherichia coli d’animals de producció i el granger, i Klebsiella pneumoniae d’humans. Aquesta aproximació ha permès localitzar els gens de resistència a antibiòtics en plasmidis o cromosoma, i ha permès seqüenciar elements genètics mòbils sencers, superant així els desavantatges associats al reads curts. A més, hem pogut descriure la transmissió de plasmidis similars que duien gens de resistència a antibiòtics per a Escherichia coli resistent a colistina en una granja mixta, i per a Klebisella pneumoniae resistent a carbapenems en un brot interhospitalari. Els perfils de resistència a antibiòtics i factors de virulència d’Staphylococcus pseudintermedius aïllats de gossos i Escherichia coli d’animals de producció ressalten el rol dels animals domèstics com a un reservori de patògens amb alt potencial zoonòtic.

Las infecciones causadas por bacterias resistentes a múltiples antibióticos son una amenaza tanto para la salud animal como la humana debido a la limitación en el tratamiento, la cual puede conllevar complicaciones clínicas severas, estancias hospitalarias más largar o incluso la muerte. Las bacterias resistentes a múltiples antibióticos pueden ser transmitidos al medio ambiente, otros animales o humanos mediante diferentes vías, tales como la contaminación fecal o a través de la cadena alimentaria. En este escenario, la aproximación One-Health considera la salud como una entidad global, incluyendo la humana, la animal y la medioambiental.

El objetivo de esta tesis es optimizar el uso de reads largos en la secuenciación de genoma completo (whole-genome sequencing) para la caracterización del cromosoma y plásmidos bacterianos, incluyendo la presencia de genes de resistencia a antibióticos, elementos genéticos móviles, y factores de virulencia.

Mediante el uso de secuenciación de genoma completo con reads largos hemos montado de novo cromosomas y plásmidos en contigs únicos para Staphylococcus pseudintermedius aislados de perros, Escherichia coli de animales de producción y el granjero, i Klebsiella pneumoniae de humanos. Esta aproximación ha permitido localizar los genes de resistencia a antibióticos en plásmidos o el cromosoma, y ha permitido secuenciar elementos genéticos móviles completos, superando así las desventajas asociadas a reads cortos. Además, hemos podido describir la transmisión de plásmidos similares que llevaban genes de resistencia a antibióticos para Escherichia coli resistente a colistina en una granja mixta, y para Klebsiella pneumoniae resistente a carbapenems en un brote interhospitalario.

Los perfiles de resistencia a antibióticos y factores de virulencia de Staphylococcus pseudintermedius aislados de perros y Escherichia coli de animales de producción resaltan el rol de los animales domésticos como reservorio de patógenos con alto potencial zoonótico.

Multi-drug resistant bacteria infections are a threat to animal and human health due to the limitation in treatment, which can lead to severe clinical complications, longer hospital stays, or even death. Multi-drug resistant bacteria can be transmitted to the environment, other animals, or humans via different ways, such as fecal contamination or food-chain. In this scenario, One-Health is an approach that considers health as a global entity, including human, animal, and the environment.

The aim of this thesis is to optimize the use of long reads in whole-genome sequencing approaches for characterizing the bacterial genome and plasmids, including the presence of antibiotic resistance genes, mobile genetic elements, and virulence factors.

By using long-read whole-genome sequencing, we de novo assembled complete chromosomes and plasmids as single contigs for Staphylococcus pseudintermedius from dogs, Escherichia coli from livestock and the farmer, and Klebsiella pneumoniae from humans. This approach located the antibiotic resistance genes in plasmids or chromosomes and spanned mobile genetic elements, thus overcoming the pitfalls associated with short reads. Moreover, we unraveled the transmission of similar plasmids harboring antibiotic resistance genes for colistin-resistant Escherichia coli in a mixed farm and for carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae in an inter-hospital outbreak.

The antibiotic resistance and virulence factor genes profiles of Staphylococcus pseudintermedius from dogs and Escherichia coli from livestock highlight the role of domestic animals as a reservoir of pathogens with highly zoonotic potential.