Mats Forsman Identifiering och analys av antagonistiska bioagens

Biologiska Ämnen mikroorganismer toxin från mikroorganismer bakterier virus svampar protozoer prioner Antagonistisk användning??

- framtagande, användning eller hot om användning av biologiska ämnen i annat syfte än fredliga Antagonistisk biologisk krigsföring bioterrorism biokriminalitet

Mats Forsman Biologiska krigföring: - strategiskt eller taktiskt motiv Bioterrorism: - politiska, religiösa, ekologiska eller andra ideologiska motiv Biokriminalitet: - motiverat av personliga skäl t.ex. hämnd eller ekonomisk vinning - biologisk olycka, oavsiktligt utsläpp av biologiska agens. Brott om grov oaktsamhet - skiljer dock mellan olika länder – och mellan organisationer - biologiska stridsmedel - bioterrorvapen/”biovapen” Olika syften – olika namn

Mats Forsman Biologisk krigföring Storskalig användning Höggradigt farliga smittämnen eller toxiner effekt och produktion väl undersökta i program Främst utspridning via luft även annat t ex livsmedel, vatten Omfattande effekter (människor, djur och växter)

Mats Forsman Småskalig användning ”Andra” smittämnen/toxiner tillgänglighet rykte Annan utspridningsmetod t.ex. livsmedel, vatten Mer begränsade effekter – fast det beror på …. främst ekonomiska effekter Biologisk olycka Bioterrorism eller biokriminalitet

Mats Forsman Småskalig användning ”Andra” smittämnen/toxiner tillgänglighet rykte Annan utspridningsmetod t.ex. livsmedel, vatten Mer begränsade effekter – fast det beror på …. främst ekonomiska effekter Biologisk olycka Bioterrorism eller biokriminalitet

Mats Forsman Bild: Wikimedia Commons Ex. på bioterrorism 1972Produktion av ca 30 kg Salmonella typhi, planerat spridning via vatten, upptäckta i tid 1984Salmonella i salladsbarer i Oregon 750 sjuka, 45 sjukhusvård, inga döda Botulinum-toxin och Anthrax i Tokyo Inga sjuka: inget toxin, vaccinstam Försök med Coxiella, intresse för Ebola 2001Antraxbrev i USA, 22 sjuka, 5 döda kompetent gärningsman, koncentrerad preparation

Mats Forsman Ex. kriminalitet med biologiska ämnen 1960-taletJapan; Salmonella typhi via mat ~ 200 sjuka, 4 döda (doktorand) 1970Canada; grisparasit Ascaris suum/umbricoides via mat, 4 sjuka (doktorand parasitologi) 1990Skottland; tarmparasit Giardia lamblia via vatten, 9 sjuka (okänd) 1996USA; Shigella dysenteriae via muffins och munkar, 12 sjuka (lab-arbetare på sjukhus) 1996Japan, E. coli O:157 i 7-Eleven-butiker, lösenkrav på 120 miljoner Yen (enskild) 1990-taletHIV smittat blod injicerats i friska, flera tillfällen 1978 – nuRicin, administrerat per t ex brev

Ex. oavsiktlig spridning Influenza H1N1 virus, 1977, Sovjet, Kina? B. anthracis sporer, Sverdlosk, 1979, Sovjet Francisella tularensis typ A, Slovakien, 1986 ( Legionella Borregaard Ind. Norge , m.fl.) # Vatten och livsmedel

Dual Use Research of Concern (DURC) Example - Controversy over NIH-funded research on the transmissibility of H5N1

Biologiska ämnen bioterror och biokriminalitet - önskvärda egenskaper Sjukdomsframkallande eller toxiska (inkubationstid, infektionsdos och grad av sjukdom) Möjliga att odla eller producera Tåliga (Behandlingsbara) (Möjlighet till genetisk modifiering) (Smittsamma) Bakterier på agarplatta

Modeled daytime aerosolized release of F. tularensis in central London (inset map) Multivariate hypergeometric redistribution of cases from work to home (main map). Scenario: Aerosolized release of F. tularensis in central London 2.4 million exposed infected death From: Egan, et al., Modeling inhalational tularemia Biosecur. Biodefen. 9,

Öppet eller Dold Biologisk Attack Från: ”Toward a System of Microbial Forensics: from Sample Collection toInterpretation of Evidence”. AEM ytprov, pulver, swabs, burkar vatten, jord, luft, vegetation etc. Objektprov Polisen, KBV, Tullen SÄPO, Nationellt forensiskt CBRN nätverk Forensiskt fokus Epidemiologiskt fokus

Mats Forsman Natural vs Intentional Attribution Laboratory Identification for Treatment & Prophylaxis Investigation for Detection of Covert Illegitime Release Investigation for Attribution of Perpetrator Genome sequence data of attack agent Background data (for comparisons) agent population structure data genotype distribution data high-resolution matching with possible sources How is the material synthesized/produced? particle sizes? associated signatures? geographical origin? Established Chain of Custody (mode of operation) -Intelligence information -Classical forensic data (fingerprints etc.) Identification and analysis Levels of analysis – and resolution Identification Anomalies in: - Antibiotic resistance - Mutational bias - geographic distribution of genetic group (DNA fingerprint) Anomalies in: - geographic distribution of disease - transmission routes - outbreak intensity and dynamics - clinical manifestations Intelligence information type of infectious agent - virus, bacterium, fungus, protozoan, or toxin genus & species antimicrobial resistance contagiousness - person to person spread?

Mats Forsman Rate of DNA sequencing 14 months 5 months 19 months

Mats Forsman Sequencing platforms

Mats Forsman Sequencing technologies Solid Illumina 454 Sanger 50bp bp 450bp 1000bp

Mats Forsman Genome Sanger Sequencing Handful of published “Sanger” genomes First FOI genome published 2005 in Nature Genetics (NCBI Bioproject no 9) Next Generation Sequencing (NGS) 20 genomes by genomes by Illumina (SE/PE/MP) > 500 new genomes are planned to be sequenced Genomes of interest Francisella Coxiella Bacillus And some others… Metagenomics

Francisella Live Vaccine strain Two major direct repat mediated deletion events Type IV pilA protein Fe utilization protein A, FupA Salomonsson, E. et al. Infect. Immun. 77, (2009). Svensson, K., et al. J. Bacteriol 187, (2005). Twine, S. et al. Infect. Immun. 73, (2005). Lindgren, H. et al. Infect. Immun 77, (2009).

Mats Forsman Submitted genome sequences New WGS isolates within Francisella tularensis (type A/B) not listed by strain name Clade II Clade I Genome phylogeny Francisella Sjödin et al. in press

Mats Forsman 7 F. tul specific genes, -Epolysacc -LPS O-ant -Hyp mprot Sjödin et al. submitted Variation in gene content in Francisella Core genome

Mats Forsman A. Accumulation curve (core genome) for the number of genes in common B. Accumulation curve for the total number of genes (pan genome), clinical, environmental Sjödin et al. submitted Core and pangenome

Mats Forsman Hallander et al. In prep Evaluation of PCR primers

Mats Forsman Accidential release F. tularensis type A, Slovakia Different mutational pattern laboratory vs natural propagation

WGS for identification of presence and absence of genes

Whole genome sequence variation, Streptococcus pneumoniae PMEN1 lineage 240 strains isolated Croucher et al., 2011 Science 331:

Mats Forsman Nationell genomdatabas för riskklass 3 agens Diversitet, populationsstruktur, pan- genom, core- genome (viktigt för vacciniologi) Evolution Patogen potential Antibiotika resistens prediktion Geografisk genotypdistribution Naturlig eller laboratorie propagering Genetisk manipulation Forensisk Mikrobiologi Diagnostikutveckling ”Det oförutsägbara”

“Det är bättre att vara förberedd på det osannolika, än helt oförberedd på det katastrofala.” Bruce Budowle, FBI