Integrating multi-omics to monitor gut microbiome and resistome dynamics in weaned piglets

Abstract

La resistència als antimicrobians (RAM) és una amenaça mundial emergent que redueix l’eficàcia dels tractaments actuals i exigeix intervencions sostenibles mitjançant l’enfocament ‘d’Una sola salut’. En el sector porcí, el període posterior al deslletament representa una etapa especialment vulnerable. Per aquest motiu, els antimicrobians s’han utilitzat tradicionalment durant aquesta transició per tractar infeccions com la diarrea post-deslletament, una condició que afecta significativament la salut i la productivitat dels garrins. L’avenç de les tecnologies de seqüenciació massiva ofereix eines potents per a la vigilància del resistoma, permetent així caracteritzar els gens de resistència als antimicrobians (ARGs) en diferents entorns. La present tesi doctoral investiga l’efecte de diferents tractaments empleats regularment per a la diarrea post-deslletament sobre el microbioma i el resistoma intestinal dels garrins, amb l’objectiu final de desenvolupar una eina de monitorització per a la detecció d’ARGs en els sistemes de producció porcina. A través de l’optimització d’un flux de treball bioinformàtic per analitzar i integrar dades de metagenòmica i metatranscriptòmica de tipus shotgun, s’ha construït una col·lecció de 1,396 genomes assemblats a partir de metagenomes del microbioma intestinal porcí que ha permès realitzar anàlisis d’expressió gènica diferencial entre tractaments i a diferents temps d’una manera més robusta. En conjunt, els perfils metagenòmic i metatranscriptòmic del resistoma van identificar que la meitat dels ARGs estaven transcripcionalment actius i, a la vegada, han permès la generació d’un catàleg d’ARGs. Aquest catàleg, que inclou un total de 102 ARGs, comprèn la majoria de les classes antibiòtiques. Posteriorment, ha estat implementat en una plataforma microfluídica per al desenvolupament i la validació d’una eina de monitorització ajustable, sensible i d’alt rendiment per a una vigilància eficient de les RAM a partir de mostres fecals porcines. En general, l’enfocament integral multiòmic proposat en aquesta tesi doctoral emergeix com a eina prometedora per a la detecció qualitativa i quantitativa d’ARGs. Aquest enfocament té el potencial de millorar la monitorització de les RAM per comprendre la dinàmica de les resistències i orientar de manera responsable l’ús dels antimicrobians en els sistemes de producció animal.

La resistencia a los antimicrobianos (RAM) es una amenaza mundial emergente que reduce la eficacia de los tratamientos actuales y exige intervenciones sostenibles mediante un enfoque de ‘Una sola salud’. En el sector porcino, el periodo posterior al destete representa una etapa especialmente vulnerable. Por este motivo, los antimicrobianos se han utilizado tradicionalmente durante esta transición para tratar infecciones como la diarrea post-destete, una condición que afecta significativamente a la salud y la productividad de los lechones. El avance de las tecnologías de secuenciación masiva ofrece herramientas potentes para la vigilancia del resistoma, permitiendo así caracterizar los genes de resistencia a los antimicrobianos (ARG) en distintos entornos. Esta tesis doctoral investiga el efecto de distintos tratamientos comúnmente usados para la diarrea post-destete, sobre el microbioma y resistoma intestinales de los lechones, con el objetivo final de desarrollar una herramienta de monitorización para la detección de ARGs en los sistemas de producción porcina. A través de la optimización de un flujo de trabajo bioinformático para analizar e integrar datos de metagenómica y metatranscriptómica de tipo shotgun, se ha elaborado una colección de 1,396 genomas ensamblados a partir de metagenomas del microbioma intestinal porcino que ha permitido realizar análisis de expresión génica diferencial entre tratamientos y a diferentes tiempos de una manera más robusta. En su conjunto, los perfiles metagenómico y metatranscriptómico del resistoma determinaron que la mitad de los ARGs estaban transcripcionalmente activos, y a la vez, han permitido generar un catálogo de ARGs. Este catálogo, que incluye un total de 102 ARGs, abarca la mayoría de las clases antibióticas y ha sido implementado en una plataforma microfluídica para el desarrollo y validación de una herramienta de monitorización ajustable, sensible y de alto rendimiento para una vigilancia eficiente de las RAM a partir de muestras fecales porcinas. En general, el enfoque integral multiómico propuesto en esta tesis doctoral emerge como una herramienta prometedora para la detección cualitativa y cuantitativa de ARGs. Este enfoque tiene el potencial de mejorar la monitorización de las RAM para comprender la dinámica de las resistencias y orientar de manera responsable el uso de los antimicrobianos en los sistemas de producción animal.

Antimicrobial resistance (AMR) is an emerging global threat, undermining the efficacy of current treatments and calling for sustainable interventions through a ‘One Health’ approach. In the swine industry, the post-weaning period represents a particularly vulnerable stage, and antimicrobials have traditionally been used during this transition to manage infections such as post-weaning diarrhoea, a condition that significantly impacts piglets’ health and productivity. As high-throughput sequencing technologies advance, they offer powerful tools for resistome surveillance, enabling the characterization of antimicrobial resistance genes (ARGs) in various environments. This doctoral thesis focuses on the effect of different post-weaning diarrhoea treatments on the gut microbiome and resistome of piglets with the final aim to develop a monitoring tool for the detection of ARGs in swine production systems. Through the optimization of a bioinformatic pipeline to analyse and integrate shotgun metagenomics and metatranscriptomics data, the construction of a comprehensive collection of 1,396 metagenome-assembled genomes from the pig gut microbiome enabled robust differential gene expression analyses between treatments and sampling times. Altogether, metagenomic and metatranscriptomic resistome profiling identified that half of the ARGs were transcriptionally active and allowed for the generation of an ARG catalogue. This catalogue, including a total of 102 ARGs, comprises most antibiotic classes and has been implemented in a microfluidic platform for the development and validation of a customizable, sensitive, and high-throughput monitoring tool for efficient AMR surveillance from swine faecal samples. Overall, the comprehensive multi-omics approach proposed in this doctoral thesis emerges as a promising tool for the qualitative and quantitative detection of ARGs with the potential to improve AMR monitoring for understanding resistance dynamics and guide responsible antimicrobial interventions in animal production systems.