Genetic elements carrying virulence and antibioticresistant genes: incidence and exchange mechanisms among microorganisms of the marine community also including allochthonous bacterial species of medical interest.

È risaputo che i batteri possono acquisire geni di antibiotico-resistenza e virulenza attraverso lo scambio orizzontale di geni, e che gli antibiotici selezionano meccanismi di resistenza esistenti e nuove mutazioni che rendono il batterio resistente (Smith et al., 2002). Recentemente sono stati isolati dei ceppi clinici di Vibrio cholerae contenenti geni di antibiotico resistenza rilevati in precedenza in batteri marini (Pande et al., 2012). Inoltre, durante vari studi precedenti condotti nel nostro laboratorio (Labella et al., 2013; Gennari et al., 2012; Caburlotto et al., 2010), era stato identificato un significativo numero di batteri ambientali che presentavano geni di virulenza e antibiotico-resistenza; infine un’alta percentuale di ceppi multi-resistenti erano stati isolati nell’area costiera della Laguna di Venezia e da vari siti italiani di acquacoltura. I dati ottenuti in questi studi supportano l’ipotesi che la flora autoctona marina costituisca un reservoir di geni di virulenza e antibiotico resistenza. Considerando poi che la maggior parte di tali geni si trovano su elementi genetici mobili (MGE), essi possono essere trasferiti ad altri batteri mediante lo scambio orizzontale di geni (HGT). In particolare, è importante determinare se questo scambio può avvenire nell’ambiente marino non solo tra batteri autoctoni ma anche tra membri della comunità marina e batteri patogeni per l’uomo, transitoriamente presenti in tale ambiente. La prima parte di questo progetto di Dottorato è stata dedicata allo sviluppo di un DNA microarray in grado di rilevare più di 200 geni di interesse medico e veterinario in campioni naturali. Questa tecnica reppresenta un’alternativa alla PCR, offrendo il vantaggio di poter analizzare un singolo campione per moltissimi loci differenti. Potrebbe essere un valido strumento per lo screening di ampie collezioni di ceppi marini o per monitorare cambiamenti della popolazione batterica in differenti aree geografiche e periodi temporali. Lo scopo della seconda parte dello studio, svolto in collaborazione con l’equipe PGBA dell’ INRA-Tours Institute, è stato di valutare la possibilità per batteri marini di trasferire MGE a ceppi alloctoni presenti nel mare. In particolare, sono stati messi a punto degli esperimenti di coniugazione in diversi tipi di ambiente per verificare il trasferimento di determinanti di antibiotico resistenza da un ceppo ambientale donatore Vibrio a vari membri della famiglia delle Enterobacteriaceae, per meglio comprendere i meccanismi di HGT. Infine, l’ultimo obiettivo dello studio era testare le possibilità di mobilizzazione di specifici elementi genici coinvolti nella virulenza e l’antibiotico resistenza, e incapaci di trasferirsi autonomamente.

It is known that bacteria can acquire antimicrobial resistance (AR) and virulence genes by horizontal transfer of genetic elements and that antibiotic use selects for existing resistance mechanisms and for novel resistance mutations (Smith et al., 2002). Recently, some Vibrio cholerae clinical strains containing antibiotic resistance genetic elements previously detected in marine bacteria have been isolated (Pande et al., 2012). During previous studies conducted in our lab (Labella et al., 2013; Gennari et al., 2012; Caburlotto et al., 2010), a significant number of environmental bacteria carrying virulence genes and antibiotic resistant and multi-resistant marine bacterial strains were isolated from the coastal area of the Venetian lagoon and from a number of Italian fish farms. Data obtained in these studies support the view that the autochthonous marine micro-flora might constitute a reservoir of virulence and AR genes. Considering that most of those AR and virulence determinants are located in mobile genetic elements (MGE), they can be transferred to other bacteria by horizontal gene transfer (HGT). In particular, it is important to determine if HGT can occur in the marine environment not only among autochthonous bacteria, such as Vibrio, Aeromonas, Photobacterium, but also between members of the marine bacterial population and human pathogenic bacteria of medical interest transitorily present in seawaters. The first part of the PhD project has focused on the development of a DNA microarray to detect over 200 genes of medical and veterinarian interest in the marine environment. The device would represent an alternative method to PCRs, offering the advantage of interrogating a unique sample for thousands of loci. It would be useful for the screening of collections of marine bacterial strains or for monitoring changes in the bacterial community over time and areas. The aim of the second part of the study, made in collaboration with the PGBA team at the INRA-Tours Institute, has been to evaluate the possibility for marine bacteria to transfer MGEs to allochtonous bacteria present in the marine environment. In particular, conjugations were set up in different environmental conditions to verify the transfer of antibiotic resistance determinants from environmental Vibrio donor strains to members of medical interest of the Enterobacteriaceae family, and to better understand the horizontal gene transfer mechanism. An additional objective of the project has been to test the possibility for specific MGEs of mobilizing genetic elements involved in virulence and AR and lacking transfer autonomy.