Worldwide comparison of Salmonella Enteritidis genomes with and without the gyrA codon substitution D87Y

La sicurezza alimentare si basa su una costante e silenziosa vigilanza contro i batteri che possono far ammalare le persone. Tra i colpevoli più comuni c'è un batterio chiamato Salmonella, nello specifico un tipo noto come Enteritidis, che contamina frequentemente pollame e uova. Per decenni, i medici hanno trattato le infezioni gravi con una potente classe di antibiotici chiamati fluorochinoloni, con la ciprofloxacina come scelta primaria. Tuttavia, i batteri sono intelligenti e adattabili; possono cambiare il loro meccanismo interno per resistere a questi farmaci. Un cambiamento specifico riguarda una minuscola alterazione in una proteina chiamata GyrA, che agisce come un motore molecolare per il DNA dei batteri. Quando questa proteina muta in un punto specifico, i batteri diventano molto più difficili da uccidere con la ciprofloxacina. Questa resistenza è una seria preoccupazione per la salute pubblica perché lascia meno opzioni per il trattamento delle infezioni.

Negli ultimi anni, le autorità sanitarie negli Stati Uniti hanno notato una tendenza preoccupante: un forte aumento dei ceppi di Salmonella Enteritidis che sono diventati resistenti alla ciprofloxacina. Questi batteri resistenti non erano solo occorrenze casuali; sembravano appartenere a una linea familiare molto specifica, identificata da una firma genetica unica. La domanda per gli scienziati era se si trattasse di un problema locale americano o di un problema globale. Se la resistenza si stesse diffondendo in tutto il mondo, ciò avrebbe suggerito un vantaggio universale che permetteva a questi batteri di prosperare ovunque. Se fosse isolata negli Stati Uniti, avrebbe potuto indicare condizioni locali, come le pratiche agricole o specifici fattori ambientali, che stavano guidando il cambiamento. Per rispondere a questo, i ricercatori si sono posti l'obiettivo di confrontare le impronte genetiche di migliaenti di questi batteri in tutto il mondo.

Un team di scienziati del Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti e dei Centri per il Controllo delle Malattie ha raccolto una enorme collezione di dati genetici. Hanno analizzato quasi 80.000 genomi di Salmonella Enteritidis, un numero che include sia mappe genetiche complete che bozze parziali, raccolte da pazienti umani, polli e altre fonti in decine di paesi. Hanno suddiviso questi batteri in gruppi basandosi su tre elementi: dove sono stati trovati, se possiedono la specifica mutazione che causa la resistenza ai farmaci e se appartengono alla specifica linea familiare americana che aveva causato preoccupazione. Confrontando questi gruppi, i ricercatori potevano vedere se i batteri resistenti provenienti dagli Stati Uniti fossero geneticamente unici o se somigliassero ai batteri resistenti trovati altrove.

I dati hanno rivelato una differenza sorprendente tra gli Stati Uniti e il resto del mondo. Negli Stati Uniti, i batteri resistenti facevano parte in modo schiacciante di quella specifica linea familiare, e il loro numero era cresciuto rapidamente negli ultimi anni. Al contrario, sebbene altri paesi avessero alcuni batteri resistenti, non mostravano lo stesso massiccio aumento all'interno di quella specifica linea familiare. I ceppi resistenti trovati in Europa, Asia e Sud America appartenevano a molte diverse famiglie genetiche e non seguivano lo stesso schema di dominanza osservato negli Stati Uniti. Ciò suggerisce che l'esplosione di batteri resistenti negli Stati Uniti non è semplicemente il risultato del fatto che i batteri diventino resistenti ai farmaci in qualsiasi parte del mondo, ma piuttosto un fenomeno guidato da circostanze specifiche negli Stati Uniti.

Per capire perché questa specifica linea familiare stesse prendendo il sopravvento negli Stati Uniti, i ricercatori hanno guardato più a fondo nel contenuto genetico dei batteri. Hanno esaminato se i batteri resistenti portassero geni diversi, come quelli presenti in piccoli anelli mobili di DNA chiamati plasmidi, che spesso trasportano tratti di resistenza. Hanno anche cercato elementi virali, noti come profagi, che sono frammenti di antichi virus che si nascondono all'interno del DNA batterico e possono talvolta conferire ai batteri nuove capacità. L'analisi ha mostrato che i plasmidi trovati nei batteri resistenti degli Stati Uniti erano molto simili a quelli trovati nei batteri resistenti di altri paesi. Questa scoperta ha escluso l'idea che un plasmide unico e super-resistente fosse l'arma segreta che guidava l'epidemia negli Stati Uniti.

I ricercatori hanno invece trovato alcune differenze negli elementi virali nascosti all'interno del DNA. La specifica linea familiare di batteri degli Stati Uniti portava un insieme distinto di queste regioni virali, diverse dalle regioni virali trovate nei batteri resistenti di altri paesi. Tuttavia, la composizione genetica complessiva dei batteri era sorprendentemente simile. I batteri resistenti degli Stati Uniti non erano fondamentalmente diversi dai loro cugini non resistenti in termini di geni che trasportavano, né erano drasticamente diversi dai batteri resistenti trovati in altri paesi, fatta eccezione per quelle specifiche regioni virali. Ciò ha portato gli scienziati a concludere che l'ascesa di questi batteri negli Stati Uniti non era stata causata da un singolo elemento genetico potente come un nuovo plasmide o un massiccio scambio di geni.

Inveve, l'evidenza suggerisce che l'emergere di questi batteri resistenti negli Stati Uniti sia un evento complesso. La specifica linea familiare di batteri, che possiamo pensare come un ramo distinto sull'albero genealogico, sembra aver guadagnato una posizione negli Stati Uniti e poi aver acquisito la mutazione di resistenza ai farmaci. Una volta avvenuto ciò, la combinazione di quella specifica linea familiare e della mutazione di resistenza ha permesso loro di diffondersi rapidamente, sostituendo altri ceppi di batteri. Lo studio non ha trovato un singolo gene "colpevole" che spiegasse questo successo. I ricercatori suggeriscono che la risposta risieda probabilmente in una combinazione di fattori, forse inclusi il modo in cui questi batteri interagiscono con il loro ambiente o come colonizzano gli ospiti, che sono tratti più difficili da individuare semplicemente guardando un elenco di geni.

Le scoperte evidenziano che, sebbene la resistenza ai farmaci sia una minaccia globale, il modo in cui si manifesta può essere altamente locale. La rapida ascesa della Salmonella resistente negli Stati Uniti è un evento specifico legato a una particolare linea genetica, piuttosto che una tendenza universale osservata ovunque. Lo studio sottolinea inoltre che possedere semplicemente la mutazione di resistenza ai farmaci non è sufficiente per spiegare l'epidemia; i batteri devono anche appartenere alla giusta famiglia genetica per prosperare nel modo in cui hanno fatto negli Stati Uniti. Questa distinzione è cruciale per le autorità sanitarie, poiché significa che tracciare la specifica linea familiare è importante quanto tracciare la resistenza stessa. I ricercatori sottolineano che sono necessari ulteriori studi per comprendere esattamente cosa conferisca a questa specifica combinazione di linea familiare e mutazione di resistenza il suo vantaggio, ma i dati genetici hanno già escluso diverse spiegazioni semplici, restringendo la ricerca della vera causa.