I geni di minuscoli virus possono trasformare i batteri in superbatteri / Genes from tiny viruses can turn bacteria into superbugs

I geni di minuscoli virus possono trasformare i batteri in superbatteri / Genes from tiny viruses can turn bacteria into superbugs

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I virus che infettano i batteri possono guidare l'evoluzione dei superbatteri resistenti ai farmaci inserendo i loro geni nel DNA batterico, suggerisce un nuovo studio.

I virus che attaccano i batteri, chiamati fagi, agiscono come parassiti in quanto dipendono dai loro ospiti per la sopravvivenza. I parassiti virali spesso uccidono i loro ospiti microbici dopo essersi infiltrati nel loro DNA , ha affermato l'autore senior dello studio Vaughn Cooper, direttore del Center for Evolutionary Biology and Medicine presso l'Università di Pittsburgh School of Medicine. Ma a volte, i fagi scivolano nel genoma batterico e poi si nascondono, apportando modifiche subdole al comportamento del batterio, ha detto Cooper. 

Ad esempio, il virus può spingere i batteri a secernere tossine che uccidono i fagi vicini, in modo che il virus possa mantenere il suo nuovo ospite tutto per sé. Ma ora, un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances, suggerisce che i fagi possono anche aiutare i loro ospiti batterici a sviluppare una resistenza ai trattamenti antibiotici .

Nel nuovo studio, il gruppo si è concentrato su Pseudomonas aeruginosa, un tipo di batterio che si colloca tra le principali cause di infezioni nosocomiali ed è spesso resistente a più farmaci. In particolare, l'infezione batterica colpisce spesso le persone con un sistema immunitario compromesso, sia a causa di condizioni come la fibrosi cistica che di farmaci che sopprimono il sistema immunitario, come gli steroidi.

Sapendo che P. aeruginosa può essere così difficile da uccidere, il gruppo si è chiesto in che modo i diversi ceppi del microbo si accumulano l'uno contro l'altro e cosa rende i ceppi superiori così efficaci nell'innescare un'infezione difficile da trattare. "Se hai sei diversi ceppi di Pseudomonas aeruginosa, chi vince?" ha detto Cooper.

Il gruppo ha affrontato questa domanda introducendo sei diversi ceppi di P. aeruginosa nelle ustioni dei maiali. Ben presto, due dei sei ceppi avevano completamente preso il sopravvento, portando gli altri all'estinzione. "È successo molto rapidamente, nel giro di un paio di giorni", ha detto Cooper.

Questi due ceppi "vincenti" hanno prodotto piccole colonie di batteri dall'aspetto rugoso che si sono riuniti in biofilm, gruppi di cellule batteriche che secernono una sostanza viscida che offre loro protezione sia dal sistema immunitario dell'ospite che dagli attacchi dei fagi. La presenza di biofilm e colonie di cellule piccole e rugose è stata collegata a una guarigione delle ferite più lenta ed ad esiti clinici peggiori, rispetto alle infezioni che non presentano queste qualità, ha affermato Cooper. 

In questo caso, i ceppi vincitori hanno mostrato "formazione di iperbiofilm", ben oltre qualsiasi formazione di biofilm osservata nei ceppi concorrenti.

La melma del biofilm protegge i batteri dal sistema immunitario dell'ospite perché le cellule immunitarie lottano per penetrare nella grande matrice e divorare i batteri all'interno. I fagi si inseriscono anche in questa matrice protettiva e rilasciano sostanze chimiche per combattere gli altri fagi nelle vicinanze, ancora una volta, per mantenere i loro ospiti batterici tutti per sé.

Inoltre, quando i batteri iniziano a produrre biofilm, il loro metabolismo si riduce e le loro cellule si dividono più lentamente; questo può minare gli effetti dei farmaci antibiotici, poiché molti agiscono provocando il cortocircuito delle cellule durante la divisione cellulare, secondo quanto riportato in precedenza da Live Science . 

I due ceppi vincenti di P. aeruginosa non hanno prodotto immediatamente biofilm entrando nei maiali, ma sono invece entrati in questo stato protettivo e viscido con il passare del tempo. Per scoprire perché, il gruppo ha ingrandito il DNA dei ceppi vincitori. 

Hanno confrontato la sequenza genetica dei ceppi vincenti con i loro antenati - le versioni di quegli stessi ceppi che sono stati introdotti per la prima volta nelle ferite dei maiali - per vedere se fossero emerse mutazioni mentre i batteri si dividevano negli animali. Hanno anche confrontato le sequenze genetiche dei ceppi vincenti con quelle dei ceppi perdenti.

Invece di trovare piccole mutazioni sparse nel DNA, il gruppo ha scoperto che erano stati aggiunti segmenti completamente nuovi di DNA ai genomi dei ceppi vincenti. Hanno identificato questi frammenti "estranei" di DNA come appartenenti ai fagi, quei virus che infettano i batteri. E infatti, i fagi in questione sono entrati per primi nelle ferite del maiale sul DNA dei ceppi batterici perdenti. 

In altre parole, una volta all'interno della ferita, questi fagi sono usciti dai loro batteri ospiti originali e si sono fatti strada nei ceppi vincenti di P. aeruginosa. Infatti, le cellule campionate dai ceppi vincitori avevano ciascuna da uno a quattro segmenti di nuovo DNA fagico aggiunti ai loro codici genetici.  

In particolare, un fago ha inserito il suo materiale genetico in un gene chiamato retS, un interruttore importante che aiuta ad attivare e disattivare la produzione di biofilm. Quando attivato, retS funge da interruttore di spegnimento e sopprime la produzione di biofilm; ma una volta che il fago si è infiltrato in questo gene nei ceppi vincitori, retS non è stato più attivato e la produzione di biofilm è impazzita.

Il gruppo ha reinserito una versione normale di retS nei ceppi vincenti, per vedere se la produzione di biofilm si sarebbe interrotta di nuovo, e così è stato. Ciò suggeriva che, sì, i cambiamenti legati ai fagi nel gene avevano spinto i batteri a produrre biofilm e probabilmente avevano aiutato i ceppi vincenti a dominare dove i ceppi perdenti avevano fallito.

Questa scoperta suggerisce che, all'inizio del corso delle infezioni, i fagi potrebbero saltare tra i ceppi batterici, passando i superpoteri avanti e indietro fino a quando un insetto emerge vittorioso e, come in questo caso, dotato di resistenza agli antibiotici. Detto questo, non è chiaro con quale frequenza le persone vengano infettate da più ceppi di batteri contemporaneamente, quindi c'è una domanda su quanto spesso si verificano questi tipi di scambi, ha detto Cooper. In ogni caso, lo studio suggerisce che i fagi possono svolgere un ruolo chiave nell'evoluzione batterica e nell'aumento di insetti resistenti al trattamento.

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Ma i fagi non sono tutti cattivi: i virus potrebbero offrire una strategia intelligente per eliminare i superbatteri quando tutti gli altri trattamenti falliscono. I fagi possono uccidere i batteri dividendo i microbi aperti dall'interno; i virus lo fanno dopo essersi moltiplicati all'interno di un batterio, quindi quando la cellula batterica si divide, nuove copie del fago fuoriescono.

"Con l'aumento della resistenza agli antibiotici, il settore è interessato a riproporre questi virus come antibiotici stessi", ha affermato Cooper. Per realizzare questa ambizione, gli scienziati dovranno capire meglio come i fagi infettano i loro ospiti batterici e quali geni dei fagi aiutano a uccidere gli ospiti. E poiché un determinato fago di solito infetta solo una specie o un ceppo di batteri, lo sviluppo di farmaci a base di fagi che funzionano contro molti superbatteri potrebbe rappresentare una sfida, ha affermato.

"La maggior parte dei geni nei fagi sono essenzialmente materia oscura per noi", quindi il campo ha una lunga strada da percorrere, ha detto Cooper.

ENGLISH

Viruses that infect bacteria may drive the evolution of drug-resistant superbugs by inserting their genes into the bacterial DNA, a new study suggests.

The bacteria-attacking viruses, called phages, act as parasites in that they depend on their hosts for survival. The viral parasites often kill off their microbial hosts after infiltrating their DNA, said senior study author Vaughn Cooper, director of the Center for Evolutionary Biology and Medicine at the University of Pittsburgh School of Medicine. But sometimes, the phages slip into the bacterial genome and then lay low, making sneaky changes to the bacterium's behavior, Cooper said. 

For instance, the virus may prompt the bacteria to secrete toxins that kill nearby phages, so the virus can keep its new host all to itself. But now, a new study, published Friday (July 16) in the journal Science Advances, hints that phages may also help their bacterial hosts develop resistance against antibiotic treatments.

In the new study, the team focused on Pseudomonas aeruginosa, a type of bacteria that ranks among the leading causes of hospital-acquired infections and is often resistant to multiple drugs. In particular, the bacterial infection often affects people with compromised immune systems, whether due to conditions like cystic fibrosis or drugs that suppress the immune system, like steroids.

Knowing that P. aeruginosa can be so difficult to kill, the team wondered how different strains of the microbe stack up against each other, and what makes the superior strains so good at triggering hard-to-treat infection. "If you have six different strains of Pseudomonas aeruginosa, who wins?" Cooper said.

The team tackled this question by introducing six different strains of P. aeruginosa into burn wounds on pigs. Soon enough, two of the six strains had completely taken over, driving the others to extinction. "That happened extremely quickly, within a couple of days," Cooper said.

These two "winning" strains produced small, wrinkled-looking colonies of bacteria that congregated into biofilms — clusters of bacterial cells that secrete a slimy substance that offers them protection from both the host immune system and attacks by phages. The presence of biofilms and small, wrinkly cell colonies has been linked to slower wound healing and worse clinical outcomes, compared with infections that don't bear these qualities, Cooper said. 

In this case, the winning strains showed "hyperbiofilm formation," far beyond any biofilm formation observed in the competing strains.

The biofilm slime protects the bacteria from the host immune system because  immune cells struggle to glom onto the large matrix and gobble up the bacteria within. Phages also embed themselves in this protective matrix and release chemicals to fight off other phages in the neighborhood, again, to keep their bacterial hosts all to themselves.

What's more, when bacteria begin producing biofilms, their metabolisms wind down and their cells divide more slowly; this can undermine the effects of antibiotic drugs, since many work by causing cells to short-circuit during cell division, Live Science previously reported. 

The two winning strains of P. aeruginosa did not immediately produce biofilms upon entering the pigs, but instead entered this protectively slimy state as time progressed. To find out why, the team zoomed in on the winning strains' DNA. 

They compared the genetic sequence of the winning strains with their ancestors — the versions of those same strains that were first introduced to the pig wounds — to see whether any mutations had cropped up as the bacteria divided in the animals. They also compared the winning strains' genetic sequences with those of the losing strains.

Instead of finding small mutations scattered throughout the DNA, the team found that entirely new segments of DNA had been added to the winning strains' genomes. They identified these "foreign" bits of DNA as belonging to phages, those viruses that infect bacteria. And in fact, the phages in question first entered the pig wounds on the DNA of the losing bacteria strains. 

In other words, once inside the wound, these phages leapt out of their original host bacteria and weaseled their way into the winning P. aeruginosa strains. In fact, cells sampled from the winning strains each had about one to four segments of new phage DNA added to their genetic codes.  

Most notably, a phage inserted its genetic material into a gene called retS, an important switch that helps turn biofilm production on and off. When activated, retS acts as the off switch and suppresses biofilm production; but once the phage infiltrated this gene in the winning strains, retS could no longer be activated and biofilm production went wild.

The team stuck a normal version of retS back into the winning strains, to see if biofilm production would switch off again, and it did. This suggested that, yes, the phage-related changes in the gene had pushed the bacteria to produce biofilms and likely helped the winning strains dominate where the losing strains failed.

This finding hints that, early in the course of infections, phages might hop between bacterial strains, passing superpowers back and forth until one bug emerges victorious, and such as in this case, equipped with antibiotic-resistance. That said, it's not clear how often people get infected with multiple strains of bacteria at one time, so there's a question as to how often these sorts of swaps occur, Cooper said. In any case, the study hints that phages may play a key role in bacterial evolution and the rise of treatment-resistant bugs.

But phages aren't all bad — the viruses could offer a clever strategy for taking down superbugs when all other treatments fail. Phages can kill bacteria by splitting the microbes open from the inside; the viruses do this after multiplying inside a bacterium, so when the bacterial cell splits, new copies of the phage spill out.

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"With antibiotic resistance on the rise, the field has been interested in repurposing these viruses as antibiotics themselves," Cooper said. To realize this ambition, scientists will need to better understand how phages infect their bacterial hosts and which phage genes help kill the hosts. And since a given phage usually infects only one species or strain of bacteria, developing phage-based drugs that work against many superbugs could present a challenge, he said.

"Most of the genes in phages are essentially dark matter to us," so the field has a long way to go, Cooper said.

Da:

https://www.livescience.com/phage-bacteria-antibiotic-resistance-evolution.html