La résistance aux antibiotiques est un grand défi du 21e siècle. Selon les Centers for Disease Control and Prevention des États-Unis, les taux de résistance aux antibiotiques augmentent dans le monde, avec environ 35000 décès liés par an aux États-Unis en 2019, contre 23000 en 2013.
Cette menace appelle une approche interdisciplinaire pour lutter contre sa propagation.
Et Virginia Tech a juste l'équipe pour le faire.
Avec une subvention de 1,3 million de dollars de la National Science Foundation, le chercheur en informatique Liqing Zhang et une équipe interdisciplinaire d'Ali R. Butt, Amy Pruden et Peter Vikesland de Virginia Tech vont construire un système de cyberinfrastructure, connu sous le nom de CI-WARS, pour la surveillance des eaux usées. usines de traitement pour une éventuelle épidémie de résistance aux antibiotiques au fil du temps. CI-WARS signifie Cyberinfrastructure for Waterborne Antibiotic Resistance Risk Surveillance.
Alors qu'un effort est en cours pour surveiller le virus SARS-CoV-2, le réseau de collecte des eaux usées de Virginia Tech dont Pruden et Vikesland sont impliqués, la subvention CI-WARS permet à cette équipe d'établir une cyberinfrastructure de surveillance des eaux usées pour la résistance aux antibiotiques dans certaines communautés qui peut résoudre plusieurs problèmes de santé publique.
Cela donnera aux chercheurs l'accès à un échantillon d'influent des eaux usées à mesure qu'il atteint l'usine de traitement des eaux usées et effectuera un séquençage métagénomique et une détection d'anomalies pour déterminer quels types de gènes de résistance aux antibiotiques peuvent circuler dans une communauté.
L'identification des anomalies dans les modèles de gènes de résistance aux antibiotiques dans les eaux usées pourrait aider à identifier les éclosions potentielles avant qu'elles ne surviennent, à mieux informer l'utilisation clinique des antibiotiques et à améliorer les pratiques de traitement pour empêcher la libération des gènes et des bactéries qui les transportent vers les plans d'eau.
Cela m'excite vraiment car nous pouvons vraiment être proactifs. La nécessité d'une surveillance des eaux usées a été reconnue internationalement, mais il n'y a pas de système de cyberinfrastructure unifié en place pour permettre la surveillance. «
Liqing Zhang, professeur agrégé au Département d'informatique du College of Engineering et chercheur principal du projet
Chaque membre de l'équipe de quatre personnes apporte une expertise spécialisée pour examiner les différents angles de résistance aux antibiotiques – la capacité de certaines bactéries à survivre à un traitement antibiotique, une capacité codée par des gènes de résistance aux antibiotiques.
Zhang et son collègue en informatique Ali Butt, professeur et chef de département associé pour le développement du corps professoral, apportent leur expertise en bioinformatique et en cloud computing. Ils sont rejoints par les professeurs Amy Pruden et Peter Vikesland du département de génie civil et environnemental Charles E. Via Jr., qui fournissent ensemble une expertise intégrée en microbiologie environnementale, chimie de l'eau et traitement de l'eau.
L'équipe tirera parti de leur expertise combinée pour développer une surveillance afin de déterminer les taux de résistance aux antibiotiques, déterminer si ces taux augmentent dans une communauté donnée et vérifier que le traitement des eaux usées élimine efficacement les bactéries résistantes et leurs gènes de résistance aux antibiotiques de l'eau.
«Combiner le séquençage de l'ADN de nouvelle génération avec la cyberinfrastructure pour surveiller les modèles de détection des gènes de résistance aux antibiotiques dans les usines de traitement des eaux usées est un moyen novateur et prometteur d'y parvenir», a déclaré Zhang.
L'équipe s'est réunie après que Pruden a contacté Zhang, reconnaissant d'énormes promesses pour la recherche à l'intersection de l'informatique et de l'ingénierie environnementale. Pour leur part, Pruden et Vikesland ont construit un réseau de collaborateurs internationaux pour établir des sites d'échantillonnage et des protocoles de surveillance des gènes de résistance aux antibiotiques dans les usines de traitement des eaux usées et pour former une cohorte importante et compétente d'étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs. Le couple avait précédemment reçu une subvention de 3,6 millions de dollars de la National Science Foundation Partnership for International Research and Education, fournissant une base pour ce travail.
L'équipe ne savait pas, l'automne dernier, lorsqu'elle préparait sa proposition, à quel point cela se révélerait opportun pour générer des avantages directs pour la surveillance des coronavirus au niveau communautaire. « La surveillance basée sur les eaux usées du coronavirus SRAS-CoV-2 a été rapidement initiée à travers le monde, mais il n'y a aucun mécanisme en place pour synthétiser les résultats », a déclaré Vikesland. « CI-WARS fournira l'infrastructure numérique pour rendre de telles synthèses possibles. »
«Il s'agit d'un moment clé pour renforcer les capacités de surveillance des usines de traitement des eaux usées», a déclaré Pruden. « Avec la pandémie actuelle de COVID-19, j'imagine que la cyberinfrastructure que notre équipe développera deviendra une réalité. »
L'échantillonnage des usines de traitement des eaux usées en Virginie est déjà en cours. Ces efforts sont dirigés par Connor Brown, étudiants diplômés de Virginia Tech, dans le domaine interdisciplinaire de la génétique, de la bioinformatique et de la biologie computationnelle. programme et Ayella Maile-Moskowitz dans le programme de génie civil et environnemental. Grâce à un réseau établi de collaborateurs et à une base de données solide, les résultats des eaux usées locales seront comparés aux données collectées aux niveaux national et international.
L'équipe prévoit également de travailler avec le Hampton Roads Sanitation District, le 2019 Gold Medal Award for Sustainable Water Initiative for Tomorrow Research Center.
Zhang a admis qu'il fallait une certaine audace pour entretenir un calendrier de collecte de cette envergure. «Ces données temporelles générées sont très précieuses et sans précédent», a-t-elle déclaré.
«L'industrie de l'eau a depuis longtemps compris l'importance de la surveillance et a mis en œuvre des techniques pour le faire», a déclaré Butt. « Notre cyber-infrastructure contribuera ainsi à démocratiser l'accès aux données cruciales et ouvrira la voie à la recherche de solutions à des défis tels que ceux posés par la pandémie actuelle. »