Co-carriage of bla KPC-33 and tmexCD2-toprJ2 on a Transferable Plasmid in an ST15-KL19 Klebsiella pneumoniae Isolate

Nel mondo microscopico dei batteri, la sopravvivenza dipende spesso da una costante corsa agli armamenti contro i medicinali progettati per ucciderli. Quando i medici trattano infezioni gravi, si affidano a potenti antibiotici, ma i batteri possono evolvere difese che rendono questi farmaci inutili. Due delle difese più critiche coinvolgono strategie diverse: una consiste nel produrre un enzima che agisce come un paio di forbici, recidendo la struttura chimica di un farmaco prima che possa agire, mentre l'altra utilizza un sistema di pompe per espellere attivamente il farmaco dalla cellula. Per anni, gli scienziati hanno osservato la diffusione di queste difese, trovandole spesso in diversi batteri o su diversi vettori genetici. La preoccupazione sorge quando queste distinte difese appaiono insieme, specialmente se si agganciano allo stesso veicolo genetico mobile, permettendo a un singolo batterio di diventare resistente a più classi di farmaci contemporaneamente. Questo scenario crea una sfida significativa per la medicina moderna, poiché limita gli strumenti disponibili per trattare le infezioni.

Ricercatori in Cina hanno recentemente scoperto un caso specifico di questa convergenza in un ceppo di Klebsiella pneumoniae, una causa comune di infezioni ospedaliere. Hanno isolato un batterio da un paziente e hanno scoperto che trasportava due importanti meccanismi di resistenza su un singolo pezzo di materiale genetico trasferibile. Questo batterio, identificato come ceppo 1640, è risultato possedere un gene che produce una versione modificata di un enzima che taglia i farmaci, insieme a un gruppo di geni che codifica per una pompa che espelle i farmaci. Ciò che ha reso questa scoperta particolarmente degna di nota è stato il fatto che entrambi questi strumenti di resistenza erano localizzati sullo stesso anello circolare di DNA, noto come plasmide, che il batterio poteva trasmettere ad altri. Lo studio ha confermato che questo plasmide poteva saltare con successo dal ceppo originale di Kle𝗼 a un tipo diverso di batterio, l'Escherichia coli, in un ambiente di laboratorio, trasferendo nel processo le capacità di resistenza.

Il ceppo stesso, designato come 1640, presentava un quadro complesso quando testato contro vari antibiotici. Si è dimostrato resistente a una specifica combinazione di farmaci usata per trattare infezioni difficili, pur rimanendo vulnerabile ad altri potenti antibiotici che vengono spesso usati come ultima risorsa. Questa discrepanza tra i geni che il batterio trasportava e il comportamento reale del batterio è stata un punto chiave dell'indagine. I ricercatori hanno scoperto che il batterio trasportava una variante specifica dell'enzima di taglio, nota come KPC-33, che è una versione modificata di un enzima più comune. Questa modifica permette ai batteri di resistere alla combinazione di farmaci che di solito ferma la versione standard. Allo stesso tempo, il ceppo trasportava un gruppo di geni responsabile di un sistema di pompe che tipicamente riduce l'efficacia di un farmaco chiamato tigeciclina. Tuttavia, nonostante trasportasse i geni per questa pompa, il batterio non mostrava la resistenza attesa alla tigeciclina nei test di laboratorio.

Per comprendere come questi geni fossero disposti, il team ha mappato l'intero progetto genetico del batterio. Hanno scoperto che il gene dell'enzima di taglio e il gruppo di geni della pompa si trovavano l'uno accanto all'altro su un plasmide lungo circa 146.193 paia di basi. Questo plasmide non era solo una collezione casuale di geni; aveva una struttura specifica che gli permetteva di muoversi tra i batteri. I ricercatori hanno confrontato questo plasmide con altri trovati in diversi batteri e hanno scoperto che, sebbene il corpo principale del plasmide fosse molto simile a noti vettori genetici, le regioni specifiche che contenevano i geni di resistenza presentavano caratteristiche uniche. Il gene dell'enzima di taglio era circondato da elementi genetici specifici che differivano da quelli presenti in altri plasmidi simili, mentre il gruppo di geni della pompa era altamente conservato, il che significa che appariva molto simile alle versioni trovate in altri batteri.

Il team ha poi testato se questo plasmide potesse effettivamente muoversi da un batterio a un altro. Hanno mescolato il ceppo originale con un ceppo innocuo di E. coli in un ambiente controllato. L'esperimento ha dimostato che il plasmide si è trasferito con successo all'E. coli a un tasso misurabile. Una volta ricevuto il plasmide, l'E. coli è diventato resistente alla stessa combinazione di farmaci a cui resisteva il ceppo originale. Tuttavia, anche dopo aver ricevuto i geni della pompa, l'E. coli non è diventato resistente alla tigeciclina. Questo risultato ha rafforzato l'idea che il semplice possesso dei geni della pompa non garantisca la resistenza; altri fattori all'interno del batterio probabilmente influenzano l'efficacia del funzionamento della pompa.

Ulteriori analisi hanno collocato questo ceppo all'interno di una specifica famiglia di batteri nota come tipo di sequenza 15, che è presente globalmente ma è particolarmente comune in Cina. I ricercatori hanno confrontato la composizione genetica del ceppo 1640 con quasi cento altri ceppi di questa famiglia. Mentre la struttura genetica centrale del batterio era molto simile ad altri ceppi cinesi, i geni di resistenza che trasportava erano unici. Nessuno degli altri ceppi nel confronto trasportava l'esatta combinazione della variante dell'enzima di taglio e del gruppo di geni della pompa. Ciò suggerisce che il ceppo avesse acquisito questi specifici strumenti di resistenza attraverso il movimento di materiale genetico piuttosto che per una lenta evoluzione nel tempo. Lo studio conclude che, sebbene il profilo di resistenza del batterio fosse complesso e non completamente prevedibile dai suoi geni, la presenza di entrambi i principali meccanismi di resistenza su un singolo plasmide mobile rappresenta un rischio significativo. Questa configurazione consente la potenziale diffusione simultanea di molteplici tratti di resistenza, evidenziando la necessità di un monitoraggio continuo di come questi elementi genetici si muovono e si combinano nelle popolazioni batteriche.