שיטה חדשה משפרת את זיהוי האיומים הבריאותיים בשפכים

לניתוח שפכים יש פוטנציאל להתריע בפני הרשויות על אלפי איומים בריאותיים בבת אחת, מעמידות לאנטי-מיקרוביאלית לכולרה, על פי מחקר חדש מכמה אוניברסיטאות אירופיות.

בהנהגת המכון הלאומי למזון DTU, חוקרים מ-11 אוניברסיטאות, מוסדות וארגוני ידע באירופה פיתחו שיטה חדשה לניתוח נתונים מניטור שפכים. השיטה יכולה לסייע בזיהוי האם חיידקים גורמי מחלות, וירוסים ועמידות לאנטי-מיקרוביאלית מגיעים מבני אדם, מבעלי חיים, מהתעשייה או מהסביבה. בפוטנציה, ניתן לזהות אלפי איומים בו-זמנית, כולל עמידות לאנטי-מיקרוביאלית וחיידקי כולרה, אשר עשויים לסייע במניעת התפרצות מחלות מלהסלים למגפות. המחקר פורסם בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Communications.

החוקרים ניתחו דגימות שנאספו במשך שלוש שנים משבעה מפעלי טיהור שפכים בחמש ערים גדולות באירופה: בולוניה, בודפשט, קופנהגן, רומא ורוטרדם.

"שפכים לא מטופלים הופכים יותר ויותר למקור חיוני למעקב אחר בריאות ומחלות אנונימיות באוכלוסיות עירוניות גדולות. עם זאת, הוצאת נתונים יקרי ערך מהם אינה פשוטה, שכן השפכים מכילים חיידקים ידועים ולא ידועים ממגוון מקורות, כמו בני אדם, צמחים, בעלי חיים, מי גשמים, שטיפת כלים וכו'", אומר המחבר המקביל של מאמר המחקר, עוזר פרופסור פטריק מונק מהמכון הלאומי למזון DTU.

בנוסף, תכולת מי השפכים יכולה להשתנות עקב שינויי טמפרטורה עונתיים.

אתגרים אלו הם מה שהחוקרים מתחילים להתגבר באמצעות תוכנת מחשב חדשה.

"המחקר שלנו מראה פוטנציאל משמעותי בניטור שפכים המבוסס על מטאנומיה. אמנם שיטה זו יקרה יותר מבדיקת PCR, שהוכיחה את עצמה יעילה מאוד במהלך מגיפת ה-COVID-19, אך PCR מסנן רק איום אחד בכל פעם. ניטור שפכים מבוסס Metagenomics יכול להעריך אלפי איומים בו-זמנית בנוסף, הערך של כל דגימה בודדת עולה ככל שנאספות יותר דגימות לאורך זמן, שכן נתונים היסטוריים מגבירים את הערך של ניתוחים חדשים", אומר פרופסור פרנק אארסטרופ, שעומד בראש קבוצת המחקר לאפידמיולוגיה גנטית ב-DTU National. מכון מזון ושותף בכתיבת המאמר.

ניתן לדמיין מערכת ניטור המשלבת מעקב אחר שפכים המבוסס על מטאנומיה עם בדיקות PCR לאיומים ספציפיים שלדעת הרשויות צפויים להופיע.

המחקר רלוונטי במיוחד מכיוון שהוראה של האיחוד האירופי קובעת שכל הערים הגדולות באירופה יתחילו לנטר עמידות לאנטי-מיקרוביאלית בשפכים. בדנמרק, Statens Serum Institut מוביל שיתוף פעולה אירופי גדול ביישום ניטור שפכים זה.

תוכנה מסדרת מערכי נתונים עצומים לקבוצות מסתוריות

במהלך תקופה של שלוש שנים, מינואר 2019 עד נובמבר 2021, נלקחו 278 דגימות שפכים מכניסת שבעת מפעלי השפכים ונשלחו ל-DTU. לאחר מכן ניתחו החוקרים מיליארדי רצפי DNA מהדגימות, והרכיבו אותם לגנומים מאלפי מיני חיידקים, ש-1,334 מהם לא היו ידועים בעבר.

הנתונים נותחו באמצעות תוכנה שפותחה על ידי השותף האיטלקי של הפרויקט באוניברסיטת בולוניה. תוכנית זו מזהה מינים שמתנהגים בצורה דומה לאורך זמן ומקבצת אותם.

"בניתוחים יכולנו לראות שהחיידקים בשפכים התקבצו לקבוצות מאוד שונות. התחלנו לתהות מדוע וכיצד נוצרו הקבוצות. בתחילה חשבנו שהצבירים עשויים לייצג חיידקים שמשתפים פעולה זה עם זה, אבל זה היה לאחר מכן, בדקנו אם חלק מהקבוצות עשויות להיות מורכבות מחיידקים מצואה אנושית, ואז פגענו במטרה", אומר פטריק מונק.

קבוצות אחרות התבררו כחיידקים מהסביבה, וקבוצה אחת שנמצאת בכל מפעלי הטיפול במדינות מגיעה ככל הנראה מביופילם שגדל על הצינורות המובילים למתקנים.

ברגע שהחוקרים זיהו חלק מהקבוצות באמצעות תוכנת הניתוח, המשימה הפכה לקלה יותר.

"העיקרון הוא די פשוט – חיידקים מסוימים מגיעים תמיד מבני אדם, והחיידקים שעוקבים אחר הרצפים שלהם בניתוח מגיעים כנראה גם מבני אדם. בדרך זו, נוכל לזהות קבוצות של מינים שעוקבים זה אחר זה לאורך זמן", אומר פטריק מונק.

שיטה חדשה משפרת משמעותית את אחוזי ההצלחה

החוקרים ניתחו בעבר מטאנומים אך לא ביעילות כמו בשיטה החדשה.

"במחקר חדש זה, זיהינו 1,334 מיני חיידקים שלא היו ידועים בעבר במי השפכים. בדרך כלל, כאשר מנתחים מטאנום המורכב מ-100 מיליון חתיכות קטנות של DNA, יכולנו לזהות רק את המקורות של כ-10% מה-DNA. עם זאת, במחקר זה מחקר חדש, הגדלנו את זה לכמעט 70% מה-DNA שהוקצה למין שממנו שחזרנו גנום", אומר פטריק מונק.

היכולת לזהות חיידקים חדשים חיונית, שכן חיידקים אלה עשויים לשאת גנים של עמידות לאנטי-מיקרוביאלית שלא היו ידועים בעבר, ושיטה זו עשויה לחשוף מקורות חדשים לעמידות לאנטי-מיקרוביאלית.

זהו מחקר תצפיתי שבו החוקרים עבדו עם נתונים המבוססים על החיידקים שהיו בדגימות מהשפכים הלא מטופלים, אך הם לא התאימו בעצמם משתנים שיכולים להשפיע על תדירות החיידקים הספציפיים. זה מציג אי ודאות מסוימת, ולמרות שחיידקים רבים הקשורים לאדם מתקבצים יחדיו, זה לא תמיד קורה. השלב הבא הוא יצירת מערך נתונים סינתטי שבו החוקרים יודעים אילו מיני חיידקים קיימים ומשנים באופן פעיל את התנאים כדי לצפות בתוצאות.

"אין לנו עדיין שיעור הצלחה סופי לשיטה הזו, אבל ברור שאנחנו על משהו משמעותי. אנחנו צריכים לייעל את השיטה עוד יותר כדי לשפר את הדיוק שלה", אומר פטריק מונק.

עובדות:

מהו מטאנום?

לכל האורגניזמים החיים יש חומר גנטי (גנום) העשוי מ-DNA. שפכים ודגימות אחרות מכילות מינים רבים ושונים של חיידקים, כולל חיידקים ווירוסים. כאשר אתה מחלץ את ה-DNA המעורב מהמינים האלה, אין לך רק גנום אחד, אלא מטאנום. אם הגנום של כל מין הוא כמו פאזל, אז המטאנום הוא כמו חבורה שלמה של פאזלים מבולבלים. מטאנומים יכולים לענות על שאלות לגבי אילו אורגניזמים היו נוכחים ועד כמה הם היו נפוצים, מה שהופך אותם לכלי בעל ערך לניטור חיידקים גורמי מחלות והגנים שהופכים אותם לעמידים לאנטיביוטיקה. מכל דגימה קוראים מיליוני שברי DNA, וניתן לנתח הרבה דגימות על ידי מחשב-על.

כולרה בקופנהגן

בתוך הצינורות המובילים למפעל טיהור מי שפכים של Avedøre מסתתרים כמה חיידקים שהחוקרים לא ציפו למצוא: חיידקי כולרה. למרות שהכמויות היו קטנות מאוד, זו הייתה הפתעה גדולה עבור החוקרים כאשר הם חקרו את החיידקים במפעלי טיהור שפכים בחמש ערים גדולות באירופה, כולל שלושת המפעלים הגדולים בקופנהגן: מפעל טיהור שפכים Avedøre, מפעל טיהור שפכים Lynetten ו-Damhusåen מתקן לטיהור שפכים.

אפשר לדמיין שהחיידקים הובאו לאזור המקומי של מתקן Avedøre על ידי אדם מחלק מהעולם שבו כולרה עדיין מדביקה אנשים. לפרט זה היו החיידקים בגופו ותרם צואה למערכת הביוב, ולאחר מכן החיידקים התיישבו בצנרת ליד מתקן הטיהור והחלו להשתכפל שם. החוקרים הבחינו כי החיידקים נשארו ליד המתקן שבוע אחר שבוע, אך לא ניתן למצוא אותם במעלה הזרם. לכן, הם מציעים שהחיידקים אינם מגיעים באופן רציף מאנשים שחולים כעת, אלא שוכנים בביופילם על הצינורות. לא תועדו מקרים של כולרה בדנמרק במשך 150 שנה, והחיידקים לא התפשטו לסביבה. עם זאת, טמפרטורות גבוהות יותר עלולות להשפיע על ההתפשטות הגיאוגרפית של כולרה וחיידקים אחרים שעלולים להיות מסוכנים.

השיטה החדשה של המחקר יכולה לזהות מהיכן מקורם של חיידקים מסוימים, ולמרות שה-DNA של החיידקים בשלושת מפעלי קופנהגן כמעט זהה, עדיין ישנם הבדלים קטנים שנותנים לכל צמח את החתימה הייחודית שלו.

נוכחותם של חיידקי כולרה בקרבת מתקן Avedøre מתוארת במאמר מדעי נפרד, הנובע אף הוא מהמחקר הנוכחי ופורסם בכתב העת Microbial Ecology.