超广谱抗生素作为抗菌范围广泛的抗生素，是治疗严重致病细菌感染的关键临床药物。世界卫生组织（WHO）在最新版人类抗生素药物目录报告中提到了头孢菌素和碳青霉烯这两大类超广谱抗生素。然而，这两类超广谱抗生素的耐药基因能赋予细菌超强耐药性，其被人体致病细菌获取后容易导致临床抗生素治疗失效。因此，追踪这些临床关键超广谱抗生素耐药基因在环境中的分布情况与传播扩散风险对于临床耐药问题的提前防控至关重要。

日前，西湖大学工学院鞠峰课题组首次提出了表型宏基因组学（Phenotypic Metagenomics）的概念和方法学框架，该方法整合了环境微生物组的培养富集、靶标耐药表型筛选和宏基因组学分析，克服了仅直接利用宏基因组测序或经典分离培养方法的局限性。研究团队将该方法应用于城市污水厂和受纳河流中的头孢菌素和碳青霉烯这两大类超广谱抗生素耐药基因的高通量检测，揭示了其耐药细菌的分类学、致病性和耐药性等核心特征。该研究成果以“Using Culture-Enriched Phenotypic Metagenomics for Targeted High-Throughput Monitoring of the Clinically Important Fraction of the β-Lactam Resistome”为题发表于环境领域国际期刊 Environmental Science & Technology，鞠峰实验室博士生张治国为第一作者，西湖大学特聘研究员鞠峰为通讯作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c03627

临床关键超广谱抗生素耐药基因与耐药细菌在环境介质（如水、空气和土壤等）中通常丰度较低，无法直接通过宏基因组（指样品中所有微生物 DNA 遗传信息）测序分析实现有效检测。经典的分离培养方法可以通过表型筛选检测一些低丰度的可培养耐药细菌，但是该方法工作量大、成本高，且耐药细菌识别效率低下，耐药基因的检测通量低。在此背景下，研究团队提出了表型宏基因组学的新方法（图1），并首次应用于城市污水厂和受纳河流中头孢菌素和碳青霉烯耐药基因及其宿主细菌核心特征的高通量检测。

图1. 本研究提出了表型宏基因组方法学并应用于污水环境靶标耐药组检测。

       研究结果表明，基于含有抗生素培养基平板的表型筛选极大降低了环境微生物组的复杂度与多样性，可以有效实现低丰度靶标细菌（包括肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌和大肠杆菌等临床病原菌）的选择性富集（图2）。

图2. 环境样本中超广谱抗生素耐药表型微生物群落组成和多样性

借助表型宏基因组学分析方法，研究团队在杭州某污水厂污水和受纳河流富集培养微生物组中定量识别了多种低丰度的碳青霉烯和头孢菌素耐药基因，发现了部分超广谱抗生素耐药基因与可移动基因元件排列在一起（图3），使得它们容易在不同细菌之间发生转移，致使抗生素敏感菌株成为难以医治的超广谱抗生素耐药菌株。

图3. 项目组从污水样本中获取超广谱抗生素耐药表型微生物耐药基因和可移动基因元件的排列信息（A）和（B），其宿主细菌与临床致病细菌之间共享了完全相同的超广谱抗生素耐药基因（C）。

更为重要的是，研究团队还发现污水厂中的部分人体致病细菌同时携带碳青霉烯耐药基因和多粘菌素耐药基因（图4）。这两种超广谱抗生素均属于人类对抗耐药致病细菌感染的最后一道防线。若人体被此类多重耐药性致病细菌感染，将可能导致无药可治的境况。

图4. 项目组从某城市污水厂检出具有超广谱抗生素耐药表型的48个高质量耐药细菌基因组的系统发育关系和耐药图谱（A），以及其与已知临床致病细菌之间大量共享完全相同超广谱抗生素耐药基因（B）。

综上所述，研究团队提出了表型宏基因组学的概念，并证明其作为一种新的抗生素耐药基因检测方法可以有效地绘制特定临床抗生素耐药表型微生物的耐药基因组图谱，未来有望发展成一种经济高效的目标抗生素耐药组标准化监测的技术手段。该研究得到了浙江省自然科学基金、国家自然科学基金以及浙江省海岸带环境与资源研究重点实验室、西湖实验室、西湖大学高性能计算中心和未来产业研究中心的支持。