Batteri patogeni sempre più resistenti agli antibiotici

Il trasferimento di geni di resistenza agli antibiotici a batteri patogeni nell'uomo può essere molto più illimitato e diffuso di quanto previsto in precedenza.

La resistenza antimicrobica rappresenta un grande pericolo per l'umanità, in parte a causa del diffuso trasferimento genico orizzontale dei plasmidi tramite coniugazione. La modellazione del trasferimento plasmidico è essenziale per scoprire i fondamenti del trasferimento di resistenza e per lo sviluppo di misure predittive per limitare la diffusione della resistenza. Tuttavia, una delle principali limitazioni nell'attuale comprensione dei plasmidi è la caratterizzazione incompleta dei meccanismi di trasferimento del DNA coniugativo, che nasconde l'effettivo potenziale di trasferimento del plasmide in natura.

Ora, la ricerca computazionale presso la Chalmers University of Technology, in Svezia, mostra che una delle ragioni potrebbe essere un trasferimento genetico significativo tra i batteri nei nostri ecosistemi e negli esseri umani. Questo lavoro, che ha anche portato a nuovi strumenti per i ricercatori della resistenza, è stato pubblicato da MicrobiologyOpen. (1)

Secondo l'Organizzazione mondiale della sanità, la resistenza agli antibiotici è una delle maggiori minacce alla salute globale, alla sicurezza alimentare e allo sviluppo. Causa già oltre 33.000 decessi all'anno nella sola Europa.

Specie di batteri completamente diverse possono diffondere i geni della resistenza tra loro attraverso i plasmidi, piccole molecole di DNA in cui i batteri immagazzinano alcuni dei loro geni al di fuori del cromosoma. Quando due cellule batteriche entrano in contatto, possono copiare i plasmidi tra loro. Questa si chiama coniugazione ed è il meccanismo più importante per diffondere la resistenza agli antibiotici.

Il dottor Jan Zrimec, (2) ricercatore in sistemi e biologia sintetica alla Chalmers University of Technology, ha dichiarato: «Negli ultimi anni, abbiamo visto che i geni della resistenza si sono diffusi agli agenti patogeni umani in misura molto maggiore di quanto ci si aspettasse. Molti dei geni sembrano aver avuto origine in una vasta gamma di specie e ambienti batterici, come il suolo, l'acqua e i batteri delle piante. Questo è stato difficile da spiegare, perché sebbene la coniugazione sia molto comune, abbiamo pensato che ci fosse una netta limitazione per cui le specie batteriche possono trasferire i plasmidi l'una all'altra. I plasmidi appartengono a diversi gruppi di mobilità, o gruppi MOB, quindi possono non trasferirsi tra una specie batterica qualsiasi».

Il dottor Jan Zrimec ha sviluppato nuovi metodi di analisi dei dati che mostrano che il trasferimento genetico può essere molto più illimitato e diffuso di quanto previsto in precedenza.

Tra le altre cose, ha sviluppato un algoritmo in grado di identificare specifiche regioni di DNA necessarie per la coniugazione - chiamate regioni oriT - in grandi quantità di dati costituiti da sequenze genetiche dal DNA di migliaia di plasmidi. L'algoritmo può anche ordinare i plasmidi in gruppi MOB in base alle regioni oriT identificate. Egli ha utilizzato l'algoritmo per esplorare sequenze geniche note da oltre 4.600 plasmidi presenti in natura da diversi tipi di batteri, cosa che prima non era possibile fare in modo sistematico.

I risultati mostrano, tra le altre cose, che:

• Il numero di regioni orientali può essere quasi otto volte superiore a quello riscontrato con il metodo standard utilizzato oggi.
  
• Il numero di plasmidi mobili può essere il doppio di quello precedentemente noto.
• Il numero di specie batteriche che hanno plasmidi mobili può essere quasi il doppio di quello precedentemente noto.
• Oltre la metà di questi plasmidi ha regioni orientate che corrispondono a un enzima di coniugazione di un altro plasmide che è stato precedentemente classificato in un diverso gruppo MOB. Ciò significa che potrebbero essere trasferiti da uno di questi plasmidi che si trova nella stessa cellula batterica.

L'ultima parte evidenzia che potrebbero esserci meccanismi di trasferimento tra un gran numero di specie batteriche e ambienti in cui in precedenza si pensava che esistessero barriere.

«Questi risultati potrebbero implicare l'esistenza di una solida rete per il trasferimento di plasmidi tra batteri negli esseri umani, animali, piante, suolo, ambienti acquatici e industrie, per citarne alcuni», spiega il dottor Zrimec. «I geni della resistenza si trovano naturalmente in molti batteri diversi in questi ecosistemi e la rete ipotetica potrebbe significare che i geni di tutti questi ambienti possono essere trasferiti a batteri che causano malattie negli esseri umani. Questa potrebbe essere una possibile ragione per il rapido sviluppo della resistenza nei patogeni umani che abbiamo osservato negli ultimi anni. Il nostro ampio uso di antibiotici seleziona i geni della resistenza, che potrebbero quindi fluire da un serbatoio genetico naturale molto più grande di quello che avevamo in precedenza stimato».

I risultati dovranno essere verificati sperimentalmente in futuro, ma i metodi di analisi dei dati sviluppati dal dottor Zrimec possono già essere utilizzati da molti dei ricercatori che lavorano con la resistenza agli antibiotici in vari campi medici e biologici. Forniscono un nuovo potente strumento per mappare sistematicamente la potenziale trasferibilità di diversi plasmidi.

«Questa è stata una delle principali limitazioni del campo di ricerca fino ad ora», afferma Zrimec. «Spero che i metodi saranno in grado di beneficiare gran parte della ricerca sulla resistenza agli antibiotici, che è un'area estremamente interdisciplinare e frammentata. I metodi possono essere utilizzati per studi volti a sviluppare limitazioni più efficaci all'uso di antibiotici, istruzioni su come gli antibiotici devono essere utilizzati, nuovi tipi di sostanze che possono impedire la diffusione dei geni della resistenza a livello molecolare».

Maggiori informazioni su: Trasferimento genetico tramite coniugazione

Affinché la coniugazione possa iniziare, è necessario un enzima - una Relaxase - (3) che si adatti a una posizione specifica sul plasmide. La Relaxase deve riconoscere e legarsi a una regione in cui l'anello del DNA può essere intaccato e un filamento può essere trasferito al batterio successivo. Questa regione del DNA è chiamata origine del trasferimento o oriT.

In precedenza, si pensava che un singolo plasmide dovesse contenere sia il gene per la Relaxase che un oriT corrispondente per essere trasferito ad altri batteri. Ma una cellula batterica può contenere diversi plasmidi e negli ultimi anni vari ricercatori hanno dimostrato che una Relaxase di un plasmide può adattarsi a una regione oriT su un altro plasmide della stessa cellula e attivare la coniugazione di quel plasmide.

Ciò significa che può essere sufficiente che un plasmide abbia solo un oriT per poter coniugare, il che a sua volta significa che molti plasmidi che sono stati precedentemente classificati come non mobili, perché privi del gene Relaxase, possono essere coniugativi. Ma fino ad ora non si sapeva quanto sia comune il fenomeno tra i batteri. Questa è una delle lacune di conoscenza che i risultati del dottor Zrimec stanno contribuendo a colmare.

Maggiori informazioni su: Il nuovo metodo rispetto allo standard attuale

Gli attuali strumenti standard per la valutazione della trasferibilità dei plasmidi si basano sulla ricerca delle sequenze di DNA per l'enzima Relaxase o per le regioni oriT a cui l'enzima può legarsi. Ci sono molte limitazioni chiave a questo. In primo luogo, alcuni strumenti producono risultati incompleti, mentre altri richiedono test di laboratorio che abbisognano di molto tempo e risorse.

Il nuovo metodo di analisi dei dati del dottor Zrimec si basa esclusivamente sull'identificazione delle regioni oriT, utilizzando speciali proprietà fisiochimiche che si trovano specificamente nelle regioni oriT del DNA. Attraverso ricerche precedenti, ha dimostrato che queste firme fisiochimiche - che determinano quale Relaxase può legarsi alla regione oriT - sono più stabili e specifiche delle sequenze di DNA stesse. Ciò consente la classificazione dei plasmidi nel gruppo MOB corretto in base alla regione oriT, indipendentemente dalla Relaxase, che consente anche ai ricercatori di mappare la trasferibilità complessiva tra diverse specie batteriche e ambienti.

Il metodo può gestire grandi quantità di dati e può essere utilizzato per cercare efficacemente le regioni orientali sui plasmidi nella loro interezza.

Riferimenti:

(1) Multiple plasmid origin-of-transfer regions might aid the spread of antimicrobial resistance to human pathogens

(2) Jan Zrimec

(3) Relaxase

Descrizione foto: Il trasferimento di geni di resistenza agli antibiotici a batteri patogeni nell'uomo può essere molto più illimitato e diffuso di quanto previsto in precedenza. I geni di resistenza possono essere trasferiti da numerose specie batteriche in habitat come ambienti acquatici, animali, industrie e suolo. - Credit: Jan Zrimec/Chalmers University of Technology.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Antibiotic resistance may spread even more easily than expected