Trasferimento genico orizzontale nei biofilm microbici

Trasferimento genico orizzontale

Per Trasferimento Genico Orizzontale (o HGT dall’acronimo inglese) batterico, si intende il passaggio non verticale (quindi senza il trasferimento del materiale genetico parentale alla progenie) di materiale genetico tra microrganismi, che può essere mediato o meno da un agente transfer.

Il trasferimento di DNA tra batteri contribuisce notevolmente all’evoluzione e all’adattamento, grazie al passaggio di geni che conferiscono ai loro ospiti resistenza agli antibiotici e/o ai metalli, geni di patogenicità, simbiosi e geni responsabili del metabolismo di nuovi substrati. Quest’ultimo può diventare un vantaggio selettivo per un batterio, non solo mediante l’utilizzo di nuovi substrati, ma anche consentendo ai batteri di prosperare in ambienti altrimenti tossici. Ci sono tre principali meccanismi di trasferimento del DNA descritti negli organismi procarioti (Fig.1-2): trasformazione, trasduzione e coniugazione. Inoltre, studi recenti hanno rivelato altri meccanismi che includono vescicole di membrana (MV) e agenti di trasferimento genico (GTA).

Rappresentazione delle modalità di HGT o trasferimento genico orizzontale nei microrganismi — *Figura 1 – I 5 meccanismi, principali e non, che permettono il trasferimento genico orizzontale batterico [Fonte: PubMed].*

Trasformazione

La trasformazione batterica è l’alterazione genetica in una cellula come risultato dell’assorbimento diretto, incorporazione ed espressione di DNA esogeno tra batteri strettamente correlati ed è mediata cromosomicamente da proteine codificate. Questo materiale genetico estraneo è “nudo” e può essere presente nell’ambiente in cui il batterio prospera e può penetrare nella membrana cellulare batterica quando il batterio è in uno stato “competente”, a causa della mancanza di nutrienti o dell’elevata densità cellulare . Affinché la trasformazione avvenga, il DNA deve essere trasferito dalla superficie alla membrana citoplasmatica e quindi attraversare la membrana citoplasmatica attraverso un canale di membrana altamente conservato.

Trasduzione

Un altro meccanismo HGT è la trasduzione, in cui il trasferimento del DNA è mediato da batteriofagi che replicano in modo indipendente, virus batterici che possono impacchettare segmenti di hostDNA nel loro capside e iniettarlo in un nuovo ospite quando uno stimolo ambientale innesca la lisi cellulare. Quando ciò accade, il nuovo materiale genetico iniettato nella cellula infetta dal virus può essere ricombinato con il DNA cromosomico, generando un ciclo litico o lisogeno. I batteriofagi possono facilitare il trasferimento di altri elementi genetici mobili all’interno dei loro genomi, come patogenicità o isole genomiche, e trasposoni da altre specie batteriche, grazie alla loro topologia genetica, con l’azione di enzimi specializzati. Questo tipo di eventi rende la ricombinazione un evento normale che può contribuire alla struttura a mosaico dei fagi e alla versatilità del loro contenuto genomico.

Coniugazione

L’ultimo, ma non per importanza, tra i principali meccanismi è la coniugazione. La coniugazione è considerata il principale meccanismo riconosciuto responsabile del trasferimento di materiale genetico nei batteri e dell’emergere della multi-resistenza negli ambienti ospedalieri e dell’acquacoltura, tra gli altri. La coniugazione è una delle modalità più attive di trasferimento genico, ed è responsabile della propagazione di diversi geni di resistenza agli antibiotici nella famiglia delle Enterobacteriaceae, essendo i plasmidi coniugativi gli elementi genetici mobili più studiati.

Un plasmide è una raccolta di moduli genetici funzionali organizzati in un’entità stabile o “replicone”, la cui replicazione deve essere controllata in considerazione del suo numero di copie, e può garantirne l’ereditarietà mediante partizionamento. Inoltre, le funzioni normalmente visualizzate dal plasmide, come quelle di replicazione, mantenimento e trasferimento coniugativo, dipendono principalmente dai fattori dell’ospite; pertanto, il fenotipo dell’ospite può cambiare semplicemente trasportando il plasmide.

Visualizzazione nel particolare delle 3 principali modalità di HGT o trasferimento genico orizzontale. — Figura 2 – Visualizzazione maggiormente specifica dei tre meccanismi principali di HGT. In figura si può notare in viola la cellula batterica recipiente, in verde la cellula donatrice per trasformazione, in giallo la cellula donatrice per trasduzione (che può essere generalizzata o specializzata), ed in rosso la cellula donatrice per coniugazione [Fonte: PubMed].

Barriere del trasferimento genico orizzontale

È importante ricordare che esistono barriere che limitano il trasferimento genetico orizzontale. Un esempio è il sistema di modifica della restrizione, in cui il batterio ospite rileva la presenza di DNA, e ne provoca la distruzione mediata dall’azione delle endonucleasi di restrizione. Tale enzima scinde il dsDNA in frammenti che vengono ulteriormente degradati da altre proteine. Un’altra barriera è il sistema CRISPR (clustered regular interspaced short palindromic repeats), che è costituito da sequenze di DNA all’interno dei genomi degli organismi procariotici che svolgono il ruolo di un sistema immunitario procariotico inibendo l’instaurarsi di plasmidi e infezioni fagiche mediante l’azione delle proteine Cas (associate a CRISPR). Oltre a queste barriere, c’è anche l’esclusione di superficie, un fenomeno che sembra creare un’efficace barriera contro il trasferimento coniugativo nelle cellule batteriche che già portano i geni per un apparato di trasferimento strettamente correlato provocando l’incompatibilità plasmidica.

Ruolo funzionale dei biofilm nell’HGT

Si ritiene che il trasferimento genico orizzontale (HGT) sia un’importante forza trainante per l’evoluzione microbica e l’adattamento di nicchia. È riportato che lo scambio genetico tra i batteri che vivono in un biofilm è maggiore rispetto a quelli in uno stato di vita libera/planctonico, che si pensa sia dovuto principalmente alle brevi distanze fisiche tra i microrganismi a causa delle elevate densità cellulari spesso riscontrate nei biofilm. Ad esempio, Gold e Moellering hanno creato un sistema di biofilm artificiale, che consisteva in un ceppo di Bacillus subtilis che trasportava un gene di resistenza alla tetraciclina e una specie sensibile di Staphylococcus. Da questo biofilm sono stati recuperati isolati di Staphylococcus con resistenza alla tetraciclina ed è stato dimostrato che trasportavano il gene di resistenza dal ceppo Bacillus.

Infatti, i biofilm sono stati ampiamente studiati (Fig.3) per il loro contributo alla diffusione orizzontale dei geni di resistenza agli antibiotici; tuttavia, la stragrande maggioranza di questi studi ha utilizzato configurazioni di biofilm artificiali basate su laboratori che coinvolgono principalmente un solo batterio donatore e un batterio ricevente di rilevanza medica. La vera misura in cui si verifica l’HGT e quali funzioni vengono condivise nei sistemi di biofilm più complessi e naturali rimane, tuttavia, in gran parte sconosciuta.

Connessi funzionali schematizzate tra HGT e formazione di biofilm microbici. — Figura 3 – In alto: nuvola di parole che rappresenta la biologia batterica e arcaica. Biofilm e HGT sono stati evidenziati per sottolineare la loro interconnessione associata alla socio-microbiologia.
In basso: schema dell’influenza reciproca tra HGT e biofilm, e panoramica dei principali argomenti a favore del ciclo positivo che biofilm e plasmidi si impongono a vicenda [Fonte: PubMed].

Fortificazione indotta dai biofilm

È dimostrato che una migliore protezione dei batteri, indotta dai biofilm, varia a seconda dei batteri e della natura dell’esposizione antimicrobica. Tale dimostrazioni includono anche una migliore protezione contro lo stress ossidativo, contro vari detergenti per la pulizia, contro il pascolo da parte dei protozoi e contro l’invasione dei fagi. Anche i plasmidi del biofilm traggono vantaggio dall’attecchimento del biofilm, poiché l’invasione del plasmide di un biofilm già stabilito può essere difficile. Il biofilm, quindi, protegge la comunità microbica incorporata sia dai plasmidi concorrenti che dall’invasione distruttiva dei fagi. Ottenere la capacità di formare biofilm può, a questo proposito, fornire un vantaggio sia per i batteri ospiti che per i fattori genetici mobili associati.

Plasticità genomica connessa a formazione di biofilm

In un ambiente stressante, la formazione di biofilm è una risposta che può aiutare a proteggere i batteri, ma una strategia di “attesa della tempesta” non garantisce il successo del batterio se non avviene alcun adattamento e l’ambiente continua a cambiare. È probabile che i batteri incontrino tali situazioni frequentemente negli ambienti naturali. Il processo di formazione del biofilm molto probabilmente ha un ruolo importante come fornitore di strutture in cui i geni comuni possono essere condivisi. La capacità di utilizzare questa opportunità per un adattamento accelerato basato sul mescolamento genico può svolgere un ruolo importante nell’avvio dello sviluppo del biofilm sia per i batteri che per i fattori genetici mobili. In conclusione l’HGT è un meccanismo vitale per mantenere l’eterogeneità genetica batterica. Inoltre vivere come parte di un biofilm promuove e mantiene l’eterogeneità batterica attraverso il fenomeno di mutazione.