想象一下，生病去了医院，却感染了更严重的疾病回了家，或者根本没再回家。

随着抗药性病原体的出现和传播，引起健康问题的感染变成了一大威胁。每天都约有1/25的住院患者至少感染了一种抗药性病原体，其中1/9的人因此死亡。最近，微生物学家首次对肺炎克雷伯菌株进行了全基因组测序，这种菌株编码一种称作NDM-1的内酰胺酶。

肺炎克雷伯菌原本不是典型的凶猛可怕的病原体，但是它对临床使用的所有抗生素都产生了抗性。在美国，它是最常见的抗碳青霉烯的肠杆菌（CRE）。由于碳青霉烯是抗菌的最后防线，此外，考虑到它们对几乎所有抗生素的抗性，高致死率及将抗性传播给其他细菌的能力，可以说CREs带来了三重威胁。

但是我们仍能看到希望。进来，来自桑迪亚国家实验室的微生物学家们首次对肺炎克雷伯菌株进行了全基因组测序，这种菌株编码一种称作NDM-1的内酰胺酶。他们将这一发现发表在了PLOS One杂志上。

研究小组开始着手研究细菌的多方面的抗药机制。为了实现这一目标，他们研制出了多种新的生物信息学工具，以便进行基因移动机制的鉴定。这些工具也可以用于生物工程的检测。

 “一旦测定了整个基因组的序列，我们将从中可以看到众多抗性基因的集中，以及将它们聚集起来的众多不同的机制，”一位生物信息学家解释道，“仅仅从基因组的序列中，我们就能得到，基因是如何在细菌间移动的，以及DNA是如何在染色体内部移动的，这种非常有价值的信息。”

去年，桑迪亚的科学家们研究了肺炎克雷伯菌的ATCC BAA-2146 (Kpn2146)，这是发现的首个编码NDM-1的美国分离物。它和大肠杆菌一起被用来测定一个为RapTOR Grand Challenge所做的全自动测序文库准备平台，RapTOR Grand Challenge是桑迪亚的一个以开发临床样本中病原体的检测技术为目标的项目。

“我对抗多药物的有机体感兴趣有一段时间了。NDM-1药物抗性在世界范围内迅速传播，因此亟需开发相应的诊断工具，”科学家说，“肺炎克雷伯菌的特殊菌株由于它能抗几乎所有药物引起了人们极大的兴趣但是同时让人感到害怕。你可以认为抗药性的产生是由于NDM-1的作用，但是肺炎克雷伯菌也能抵抗其他与NDM-1无关的抗生素。”

揭开肺炎克雷伯菌的秘密

组装整个基因组就像将拼图拼在一起。肺炎克雷伯菌有一个条大的染色体和四个质粒（可以独立于细菌染色体DNA进行自我复制的小DNA分子）。质粒通常携带抗性基因和其他防御机制。

研究人员发现了，由肺炎克雷伯菌编码的34种具有抗药功能的酶，可以将复合物运出细胞的外排泵，以及能造成抗药性的染色体基因的突变体。他们同时鉴别了在单个细胞内部和细胞间转移抗性基因的几种作用机制。

“这些基因中的每一个，关于如何进入这个细菌，到过哪里，以及是怎么进化的，都有它们自己的故事”研究人员说。

研发新工具的必要性

肺炎克雷伯菌使用既定的机制来移动基因，比如被称为转录转座子的“跳跃基因”，和基因岛，能使基因在不同生物体间水平转移的可移动的DNA元件。然而，生物有机体的花招和武器太多，使得研究团队不得不开发出新的生物信息学工具来鉴别基因移动的机制。

研究人员首次发现了正在移动的环状转录转座子，并发现了基因组中进行同源重组的位点，同源重组是基因移动的另一种机制。利用现有的两种生物信息学方法对基因岛进行检测，他们发现了另一种类别的基因岛，这种岛只有在两种方法同时使用时才能被检测到。

“从一定程度上来说，细菌获得任何额外的DNA片段都要付出代价，因此通常它们不会紧紧抓住对它们来说无用的特性，”研究人员说，“对基因组了解的越多，我们就会获得越多的关于基因在机体内和不同机体间的移动，以及用药历史的信息。随着时间的延长，这种细菌会变得越来越令人讨厌。”

将研究结果应用到未来的工作中

这些研究结果被用于一个由桑迪亚微生物学家埃里克卡恩斯带头的项目中，该项目致力于研发治疗耐药生物体的可替代方法。“我们用基于序列的方法而不是传统的抗生素来抑制抗药基因的表达，”研究人员说。

同时，研究人员利用他们对肺炎克雷伯菌抗性机制的理解和新的生物信息学工具来开发能检测生物工程的诊断工具。通过对10种相关但不同的肺炎克雷伯菌株的分析，他们确定了特殊菌株中存在的新的区域，由此暗示了基因的移动。

“通过研究基因移动的模式，我们可以更好地描绘天然基因岛的特征，”研究人员说，“由此揭示了非天然基因岛是什么样的。我们希望可以将我们从肺炎克雷伯菌基因组测序中获得的知识应用到开发能检测生物工程的诊断工具中去。”