Un progetto di genoma di Escherichia coli del XVI secolo associato a un'infezione opportunistica della bile

Aug 09, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 599 (2022) Citare questo articolo

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L’Escherichia coli – uno dei batteri più caratterizzati e un grave problema per la salute pubblica – rimane invisibile nel panorama temporale. Qui presentiamo la meticolosa ricostruzione del primo genoma antico di E. coli da un calcolo biliare del XVI secolo proveniente da una mummia italiana affetta da colecistite cronica. Abbiamo isolato il DNA antico e ricostruito l'antico genoma di E. coli. Consisteva in un cromosoma di 4446 geni e due presunti plasmidi con 52 geni. Il ceppo di E. coli apparteneva al filogruppo A e ad una sequenza eccezionalmente rara di tipo 4995. I geni che compongono il sistema di secrezione di tipo VI sembrano essere acquisiti orizzontalmente da Klebsiella aerogenes, tuttavia non è stato possibile identificare alcun gene specifico del patovar né alcuna resistenza agli antibiotici acquisita. Un test per la sepsi sui topi ha mostrato che un ceppo contemporaneo di E. coli strettamente correlato era avirulento. La nostra ricostruzione di questo antico E. coli aiuta a dipingere un quadro più completo del peso delle infezioni opportunistiche del passato.

Il recupero del DNA di antichi patogeni (aDNA) da vittime umane si è concentrato quasi esclusivamente su eventi di mortalità storicamente significativi, come la peste nera, rivelando la storia evolutiva di agenti patogeni canonici come Yersinia pestis, Mycobacterium tuberculosis1 e Variola virus. Al contrario, gran parte della morbilità e della mortalità umana è il risultato di infezioni opportunistiche, che spesso rimangono invisibili nel passato. Gli agenti patogeni opportunisti, quelli senza precedenti storici, come Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococcus aureus, sono stati sottovalutati rispetto al loro peso contemporaneo sulle persone di oggi2. Sono definiti dalla loro capacità di infettare durante periodi di stress, squilibrio o disturbo pur essendo altrimenti commensali o saprofiti3. Le infezioni opportunistiche probabilmente hanno svolto un ruolo importante nella mortalità umana nel nostro passato condiviso e quindi hanno avuto un impatto sulla salute umana più ampio di quanto possa essere o sia stato misurato.

Un fattore di confusione nell’identificazione di agenti patogeni storicamente sottovalutati è che le infezioni risultanti erano probabilmente principalmente opportunistiche. Cioè, hanno colonizzato l'ambiente che li ospitava in modo asintomatico, senza lasciare patologie identificabili e come tali non sono facilmente identificabili nei resti umani4. Gli studi sul DNA antico si concentrano tipicamente su agenti patogeni obbligatori come M. leprae, Salmonella enterica e Y. pestis che sono facilmente correlati a eventi di mortalità patologicamente distinti o storicamente rilevanti e come tali sono facilmente distinguibili come estranei nei dati di lettura del DNA metagenomico umano antico5, 6,7. Le infezioni opportunistiche hanno l’onere aggiuntivo dell’autenticazione a causa della loro ubiquità come contaminanti ambientali e dei moderni ceppi commensali. L'identificazione storica di questi agenti patogeni consentirebbe un'attenta valutazione della loro storia evolutiva e del continuum commensale-patogeno definito dal guadagno e dalla perdita del contenuto genico mentre i ceppi modulano verso o lontano dalla virulenza dell'ospite.

E. coli è uno di questi agenti patogeni. Si tratta di un batterio commensale comune presente nel microbioma intestinale dei vertebrati8 che può anche diventare un patogeno opportunistico in condizioni specifiche9. L’E. coli ha un impatto così grande sui nostri sistemi sanitari che è oggetto di numerosi sforzi di sviluppo di vaccini per mitigare gli effetti dei ceppi più patogeni10. Essendo stato responsabile di numerose epidemie di intossicazione alimentare e diventando uno dei principali agenti patogeni per le morti causate dalla resistenza antimicrobica, l'E. coli è quindi un batterio chiave utilizzato nella sorveglianza sanitaria pubblica11.

Il campionamento globale di ceppi di E. coli produce un albero con diversi gruppi filogenetici unici e pathovars intervallati12. Mentre le relazioni filogenetiche tra i ceppi sono costruite sulla base della somiglianza genetica, i pathovar sono definiti dai tratti di virulenza dei loro membri. In molti casi, i membri dello stesso patovar si raggruppano insieme nello stesso clade, tuttavia, poiché i geni di virulenza possono essere acquisiti orizzontalmente, alcuni patovar, come l'E. coli enteroaggregativo, sono distribuiti in più gruppi filogenetici12. Questa sorprendente diversità e gli stati transitori evolutivi tra i ceppi di E. coli evidenziano la loro plasticità genomica e versatilità evolutiva lungo questo continuum sopra menzionato. I genomi antichi di E. coli fornirebbero informazioni utili sulle forze che influenzano l’emergere del commensalismo e della patogenicità nei batteri. Qui descriviamo la ricostruzione di un genoma di E. coli del XVI secolo caratterizzato dal calcolo biliare di un nobile italiano, Giovanni d'Avalos (1538–1586), evidenziando un genoma con caratteristiche commensali.