Nuovi batteri per il biorisanamento di siti contaminati da antibiotici

Antibiotici nell’ambiente

Le moderne pratiche industriali ed agricole stanno accelerando l’aumento della resistenza batterica agli antibiotici, saturando l’ambiente con l’uso di farmaci e composti biologicamente attivi. In India e Cina, che insieme producono la stragrande maggioranza degli antibiotici del mondo, le aziende farmaceutiche a volte scaricano rifiuti ricchi di antibiotici nei corsi d’acqua locali. Ancora, negli Stati Uniti, alcuni agricoltori aggiungono antibiotici ai mangimi per aiutare il loro bestiame a crescere, producendo quindi scarti ricchi di questa tipologia di farmaci. Per fortuna, però, la natura è sempre ricca di sorprese! Oltre ai batteri resistenti agli antibiotici, causa del fenomeno di grande interesse medico dell’antibiotico-resistenza, esistono anche batteri in grado di utilizzare gli antibiotici come fonte di carbonio per la propria crescita. Questo li renderebbe un valido supporto per il biorisanamento delle aree più contaminate.

Ingegneria genetica e biorisanamento

Tale scoperta, effettuata dai ricercatori della Washington University di St. Louis guidati dal Professor Gautam Dantas e pubblicata sulla rivista Nature Chemical Biology, aprirebbe la strada all’identificazione di tecniche biotecnologiche per il biorisanamento di corpi d’acqua e/o suoli contaminati da questa tipologia di farmaci.

In particolare, questi ricercatori statunitensi hanno identificato in suoli contaminati da antibiotici quattro nuove specie batteriche (di cui una appartenente al genere Pseudomonas) in grado di utilizzare come substrato la penicillina (Fig. 1), un antibiotico beta-lattamico isolato da prodotti del metabolismo di alcune specie appartenenti al genere Penicillium.

Formula di struttura della penicillina
Figura 1 – Formula di struttura della penicillina (il gruppo -R varia in funzione del tipo di penicillina considerata).

Il primo step di reazione che i microrganismi resistenti agli antibiotici beta-lattamici devono effettuare è l’apertura dell’anello beta-lattamico attraverso uno specifico enzima.

Lo stesso “trucco” è utilizzato da queste nuove specie “mangia penicillina”. L’unica differenza è che, attraverso una serie di enzimi specifici, attaccano ulteriormente la molecola in altri due punti producendo una molecola di acido fenilacetico per poi utilizzarlo come fonte di carbonio per la crescita cellulare.

Per confermare questo set di attività enzimatiche, il professor Dantas e il suo team hanno dapprima effettuato un’analisi accurata del genoma e del proteoma di questi microrganismi. Sono in questo modo risaliti ai geni e agli enzimi responsabili di questo metabolismo cellulare, e successivamente hanno selezionato un ceppo di Escherichia coli (Fig. 2) già in grado di catabolizzare l’acido fenilacetico e ci hanno inserito i geni codificanti per gli enzimi responsabili della produzione di quest’ultimo a partire dalla penicillina.

Bingo! Un batterio ingegnerizzato in grado di utilizzare antibiotici come nutriente è stato così ottenuto. Inoltre, hanno scoperto che il pathway catabolico della penicillina rappresenta un metabolismo secondario che si attiva soltanto in carenza di zuccheri semplici ed in presenza di penicillina.

Cellule di Escherichia coli geneticamente modificate, arma per il biorisanamento
Figura 2 – Cellule di Escherichia coli geneticamente modificate in grado di catabolizzare la penicillina ed utilizzarla come substrato per la crescita cellulare.

Sviluppi futuri

Tuttavia, la velocità di biorisanamento di questo ceppo ingegnerizzato è ancora estremamente lenta rispetto alle quattro specie batteriche wild type. L’obiettivo sarà, quindi, quello di apportare ulteriori modifiche mediante approcci di ingegneria metabolica al fine di incrementare l’efficienza degradativa di questo E. coli geneticamente modificato.

Nel complesso, ricostruire in dettaglio le reazioni metaboliche con cui un antibiotico viene trasformato in cibo potrà aiutare i ricercatori a mettere a punto approcci di biorisanamento di corpi d’acqua e suoli contaminati da questi farmaci e, allo stesso tempo, limitare la diffusione dell’antibiotico-resistenza.

Fonti

Bibliografia

  • Crofts TS, Wang B, Spivak A, Gianoulis TA, Forsberg KJ, Gibson MK, Johnsky LA, Broomall SM, Rosenzweig CN, Skowronski EW, Gibbons HS, Sommer MOA, Dantas G. Shared strategies for β-lactam catabolism in the soil microbiome. Nature Chemical Biology. April 30, 2018.

Crediti immagini

  • https://it.wikipedia.org/wiki/Penicillina
  • http://www.abc.net.au/news/science/2018-05-01/antibiotic-eating-bacteria-resistance-agriculture-penicillin/9710388
  • http://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/biotech/2018/05/01/batteri-golosi-per-ripulire-lambiente-dagli-antibiotici-_e75ea480-e9d2-40d7-bc54-9551d1c74f00.html

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