Métaux, antidépresseurs, changement climatique : la chimiste de l’UB, Diana Aga, dirige une subvention de 3 millions de dollars de la NSF pour trouver d’autres causes de résistance aux antimicrobiens

BUFFALO, NY – La chimiste de l’Université de Buffalo, Diana Aga, a longtemps étudié comment les antibiotiques non contrôlés dans les eaux usées contribuent à la résistance aux antimicrobiens (RAM).

Les usines de traitement de l’eau n’éliminent pas complètement les antibiotiques des eaux usées avant de les rejeter dans les cours d’eau, ce qui signifie que les bactéries environnementales et autres micro-organismes sont constamment exposés aux résidus d’antibiotiques et finissent par développer une résistance aux médicaments mêmes qui ont été conçus pour les tuer.

Mais, se demande Aga, et un nombre croissant de preuves scientifiques le suggèrent, et si d’autres produits chimiques étaient également à blâmer ?

« De toute évidence, la libération d’antibiotiques dans l’environnement joue un rôle important dans le développement de la résistance. Cependant, d’autres facteurs, notamment la présence d’autres médicaments, comme les antidépresseurs, sont importants, tout comme les métaux et les pesticides », dit-elle. « Ils exercent tous une pression évolutive sur les bactéries. Pour lutter contre la résistance aux antimicrobiens, nous devons mieux comprendre l’impact combiné de ces interactions. »

Aga, PhD, directeur de l’UB RENEW Institute et Henry M. Woodburn Chair of Chemistry au UB College of Arts and Sciences, est le chercheur principal d’une subvention de 3 millions de dollars de la National Science Foundation (NSF) pour étudier les produits chimiques qui s’infiltrent dans l’environnement et exacerber l’émergence et la propagation de la RAM.

Le financement, dont UB recevra 1,4 million de dollars, est un prix NSF «Utiliser les règles de la vie pour relever les défis sociétaux» (URoL: ASC). Le programme soutient la recherche qui applique des principes scientifiques établis – dans le cas d’Aga, l’évolution bactérienne – à travers un large éventail de systèmes vivants pour répondre aux préoccupations sociétales urgentes.

« Comprendre les facteurs qui contribuent à la résistance aux antibiotiques est essentiel pour préserver des traitements efficaces et aborder la santé dans le monde entier », a déclaré le membre du Congrès Brian Higgins. “Je soutiens depuis longtemps ces investissements de la National Science Foundation au Congrès – c’est un travail important, et je suis heureux de voir les chercheurs de l’Université de Buffalo se démarquer.”

Alors que la science pharmaceutique se précipite pour développer de nouveaux antibiotiques pour remplacer ceux qui sont devenus inefficaces, Aga dit qu’il est également crucial pour d’autres scientifiques de découvrir comment la RAM se produit en premier lieu.

“Les nouveaux médicaments peuvent très bien fonctionner au début, mais ensuite les bactéries développeront également une résistance”, dit-elle. “Nous devons donc comprendre les mécanismes de contrôle que nous pouvons utiliser pour atténuer ou empêcher l’évolution entièrement bactérienne qui aboutit à des organismes résistants aux antimicrobiens.”

L’Organisation mondiale de la santé a classé la résistance aux antimicrobiens parmi les 10 principales menaces mondiales pour la santé publique. Les « superbactéries » bactériennes qui survivent en présence d’antibiotiques ont été liées à plus de 5 millions de décès dans le monde en 2019, selon les Centers for Disease Control and Prevention.

“C’est une menace importante pour la santé publique car nous manquons de médicaments pour guérir les personnes infectées par des bactéries pathogènes”, déclare Aga, professeur émérite SUNY.

Ironiquement, les antibiotiques contribuent à la résistance antimicrobienne. Alors que les antibiotiques sont essentiels pour tuer les bactéries et guérir les infections chez les humains et les autres animaux, les bactéries qui survivent à un tel traitement se multiplient et propagent les gènes de résistance à d’autres bactéries.

Pour se prémunir contre cela, les scientifiques doivent connaître la concentration minimale inhibitrice, qui est la quantité la plus faible d’un antibiotique nécessaire pour arrêter la croissance d’une certaine bactérie. Cependant, Aga dit que certaines bactéries mutent lorsqu’elles sont exposées à des antibiotiques bien en dessous de ces niveaux.

“Pourquoi? Telle est la question, et les scientifiques ont étudié divers mécanismes pour comprendre comment les « superbactéries » se développent et se propagent dans l’environnement », explique Aga.

Aga émet l’hypothèse que c’est parce que d’autres produits chimiques poussent également les bactéries à muter. Les gènes qui résistent à ces produits chimiques peuvent être les mêmes gènes qui résistent aux antibiotiques ou être situés sur les mêmes éléments génétiques mobiles.

Une classe de produits chimiques que l’équipe d’Aga étudiera sont les métaux lourds. Des études antérieures ont établi un lien entre la pollution par les métaux et des niveaux élevés de résistance aux antibiotiques. L’un des exemples les plus courants de pollution par les métaux – la contamination par le plomb – peut être causé par la corrosion des conduites d’eau.

Un autre coupable pourrait être les antidépresseurs, qui, selon le CDC, sont pris par 13 % des adultes aux États-Unis. Comme les antibiotiques, les usines de traitement de l’eau n’éliminent généralement pas les antidépresseurs des eaux usées. Aga a déjà documenté l’accumulation d’antidépresseurs dans le cerveau des poissons des Grands Lacs.

Les pesticides sont un autre facteur contributif potentiel. Aga a déjà découvert une contamination par des pesticides dans les eaux du Bangladesh.

Outre les produits chimiques, l’équipe étudiera également le rôle que joue le changement climatique dans le développement de la résistance aux antimicrobiens. Les perturbations des écosystèmes peuvent exercer une pression supplémentaire sur les bactéries, tandis que les températures élevées sont liées à une croissance bactérienne accrue.

« Le changement climatique joue définitivement un rôle dans la RAM », déclare Aga. “Cependant, nous devons quantifier l’impact des perturbations météorologiques sur la mutation bactérienne pour développer des solutions basées sur les données.”

Les usines de traitement des eaux usées sont conçues pour éliminer les excréments humains et les nutriments en excès tels que l’azote et le phosphore, mais elles ne sont pas conçues pour éliminer les résidus d’antibiotiques.

Même avant que l’eau remplie d’antibiotiques ne soit rejetée dans les cours d’eau, une résistance antimicrobienne peut apparaître dans la plante elle-même lorsque les bactéries et les antibiotiques se mélangent dans les eaux usées non traitées.

Aga a déjà mené des recherches pour comprendre comment les usines de traitement des eaux usées peuvent être conçues pour éliminer les antibiotiques.

“L’un des livrables que nous attendons de ce projet en cours est de pouvoir indiquer aux stations d’épuration les niveaux sûrs de résidus chimiques pouvant être rejetés dans les cours d’eau, ainsi que la meilleure plage de température pour limiter la propagation de la résistance aux antimicrobiens à la station d’épuration. ,” elle dit.

La co-chercheuse Shannon Seneca, nouvelle professeure adjointe au Département d’études autochtones de l’UB et affiliée à la faculté de RENEW, étudiera si les résultats des expériences en laboratoire se traduiront à grande échelle dans les usines de traitement des eaux usées.

À l’Iowa State University, Adina Howe, professeure d’ingénierie agricole et des biosystèmes, et Laura Jarboe, professeure d’ingénierie chimique, étudieront les gènes résistants de bactéries isolées des eaux usées. Liqing Zhang, professeur de bioinformatique à Virginia Tech, utilisera l’apprentissage automatique et la science des données pour créer des modèles qui prédiront les conditions environnementales lorsque les bactéries développeront une résistance.

La recherche de l’équipe s’appuie sur le travail d’Aga avec RENEW, un institut de recherche multidisciplinaire axé sur les questions énergétiques et environnementales complexes.

“RENEW s’appuie sur les forces de différentes disciplines pour s’attaquer aux problèmes mondiaux persistants – comme la résistance aux antimicrobiens – et aux défis d’équité environnementale qui y sont liés”, déclare Lisa Vahapoğlu, PhD, directrice de RENEW Education and Outreach. « Par ses recherches et ses activités, l’institut vise également à faire avancer des projets pertinents pour nos partenaires communautaires et à créer des parcours d’enseignement supérieur pour les personnes sous-représentées dans les disciplines STEM. Ces priorités sont manifestes dans le projet « NSF utilisant les règles de vie ». Diana et son équipe réuniront la science des données, la chimie analytique, la microbiologie et l’ingénierie environnementale pour comprendre les facteurs complexes qui entraînent le développement de la résistance environnementale aux antibiotiques et traduire ces résultats en outils utiles pour les parties prenantes. C’est le type précis de recherche d’équipe convergente avec un impact sur la communauté que RENEW vise à faire progresser.