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I batteri patogeni per l’uomo stanno sviluppando resistenza agli antibiotici molto più velocemente del previsto. Ora, la ricerca computazionale della Chalmers University of Technology, in Svezia, focalizzata sulla coniugazione batterica, mostra che una delle ragioni potrebbe essere un significativo trasferimento genetico tra i batteri nei nostri ecosistemi e verso l’uomo. Questo lavoro ha anche portato a nuovi strumenti per i ricercatori di resistenza.
Secondo l’Oms, la resistenza agli antibiotici è una delle maggiori minacce per la salute, la sicurezza alimentare e lo sviluppo a livello globale. Provoca già oltre 33.000 morti all’anno nella sola Europa. Specie completamente diverse di batteri possono diffondere geni di resistenza l’uno all’altro attraverso 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 l’uno sull’altro. Ciò si chiama coniugazione ed è il meccanismo più importante per diffondere la resistenza agli antibiotici. «Negli ultimi anni, abbiamo visto che i geni di resistenza si sono diffusi agli agenti patogeni umani in misura molto maggiore di quanto ci si aspettasse» afferma – in un articolo su “Microbiologyopen” -Jan Zrimec, ricercatore in sistemi e biologia sintetica presso la Chalmers University of Technology di Goteborg. «Molti dei geni sembrano aver avuto origine in una vasta gamma di specie e ambienti batterici, come il suolo, l’acqua e i batteri vegetali. Questo è stato difficile da spiegare, perché sebbene la coniugazione sia molto comune, abbiamo pensato che ci fosse una limitazione distinta per la quale le specie batteriche possono trasferire plasmidi l’uno all’altro. I plasmidi appartengono a diversi gruppi di mobilità, o gruppi Mob, quindi non possono trasferirsi tra nessuna specie batterica».
Zrimec ha sviluppato nuovi metodi di analisi dei dati che mostrano che il trasferimento genetico può essere molto più sconfinato e diffuso di quanto previsto in precedenza. Va specificato che, affinché la coniugazione inizi, è necessario un enzima – una relaxasi – che si adatta a una posizione specifica sul plasmide. Tra le altre cose, ha sviluppato un algoritmo in grado di identificare specifiche regioni del 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. Zrimec ha usato l’algoritmo per esplorare sequenze geniche conosciute da oltre 4.600 plasmidi presenti in natura da diversi tipi di batteri, cosa che non è stato possibile fare sistematicamente prima. I risultati mostrano, tra le altre cose, che: 1) il numero di regioni oriT può essere quasi otto volte superiore a quello trovato con il metodo standard utilizzato oggi; 2) il numero di plasmidi mobili può essere il doppio di quello precedentemente noto; 3) il numero di specie batteriche che hanno plasmidi mobili può essere quasi il doppio di quanto precedentemente noto; 4) oltre la metà di questi plasmidi ha regioni oriT 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 e, inoltre, che potrebbero esserci meccanismi di trasferimento tra un gran numero di specie batteriche. «Questi risultati potrebbero implicare che esiste una solida rete per il trasferimento di plasmidi tra batteri nell’uomo, negli animali, nelle piante, nel suolo, negli ambienti acquatici e nelle industrie» spiega Zrimec. «I geni di resistenza si trovano naturalmente in molti batteri diversi in questi ecosistemi. Questa potrebbe essere una possibile ragione per il rapido sviluppo della resistenza negli agenti patogeni umani che abbiamo osservato negli ultimi anni. Il nostro ampio uso di antibiotici seleziona geni di resistenza, che potrebbero quindi fluire da un serbatoio genetico naturale molto più grande di quanto stimato in precedenza».
Affinché la coniugazione batterica possa iniziare, è necessario che un enzima – una relaxasi – si ponga in una posizione specifica sul plasmide. La relaxasi 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 l’oriT. In precedenza, si pensava che un singolo plasmide dovesse contenere sia il gene per la relaxasi che un oriT corrispondente per essere trasferito ad altri batteri. Ma una cellula batterica può contenere diversi plasmidi e, negli ultimi anni, è stato dimostrato che una relaxasi di un plasmide può adattarsi a una regione oriT su un altro plasmide della stessa cellula e attivare la coniugazione di quel plasmide. Quindi può essere sufficiente che un plasmide abbia solo un oriT perché avvenga la coniugazione; il che, a sua volta, significa che molti plasmidi che sono stati classificati in precedenza come non mobili, perché privi del gene relaxasi, possono essere attivi nella coniugazione batterica. Inoltre, gli attuali strumenti impiegati per la valutazione della trasferibilità dei plasmidi si basano sulla ricerca delle sequenze di Dna per la relaxasi o per le regioni oriT a cui l’enzima può legarsi. Queste metodiche hanno molte limitazioni: alcuni strumenti producono risultati incompleti, altri implicano test di laboratorio che richiedono tempo e risorse. Il nuovo metodo di analisi dei dati di Zrimec si basa solo sull’identificazione delle regioni oriT e utilizza proprietà fisiochimiche trovate specificamente nelle regioni oriT del Dna. Mediante ricerche precedenti, ha dimostrato che queste firme fisiochimiche – che determinano quale relaxasi può legarsi alla regione oriT – sono più stabili e specifiche delle sequenze stesse di Dna. In questo modo è possibile classificare i plasmidi nel gruppo Mob corretto in base alla regione oriT, indipendentemente dalla relaxasi, e ciò permette anche ai ricercatori di tracciare la trasferibilità complessiva tra diverse specie e ambienti batterici.
Microbiologyopen. 2020 Dec;9(12): e1129. Doi: 10.1002/mbo3.1129.
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33111499/
