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Using the Evolution Machine to determine the mechanism of a novel Phage-Induced High-Cell-Density (PIHCD) phenotype

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I batteriofagi possono combattere la resistenza agli antibiotici?

Oltre 30 000 persone muoiono ogni anno in Europa a causa di un’infezione da batteri multi-farmaco resistenti. Considerando che i batteriofagi possono infettare e uccidere batteri in modo specifico, si sta manifestando un nuovo interesse per le terapie basate sui batteriofagi.

Ricerca di base
Salute

I batteriofagi sono virus che richiedono un ospite batterico per riprodursi e sono in grado di trasferire materiale genetico tra batteri. Decifrare questa interazione è fondamentale per lo sviluppo di strategie efficaci che prevedano prodotti basati su fagi e batteriofagi. Studio delle interazioni batteriofago-batteri mediante microfluidica Supportato dal programma Marie Curie, il progetto EvoMachine-Phage è stato concepito per comprendere i meccanismi alla base della coevoluzione antagonistica batteri-batteriofagi. Il lavoro ha concentrato la propria attenzione sul fenotipo ad alta densità cellulare indotta da fagi (PIHCD, Phage-Induced High Cell Density) precedentemente osservato dal dott. Steven Quistad, borsista Marie Curie. Come spiega, «il fenotipo PIHCD è stato osservato dopo aver miscelato batteriofagi prelevati da un cumulo di compost locale a Parigi con il comune batterio del suolo Pseudomonas fluorescens». Sebbene si aspettasse che il batteriofago uccidesse i batteri o entrasse in uno stato di quiescenza all’interno del cromosoma ospite, con sua sorpresa i batteri infettati sono cresciuti meglio. Questa osservazione ha esortato il borsista del progetto EvoMachine-Phage ad approfondire il meccanismo sottostante e identificare il batteriofago responsabile. A tale scopo, il dott. Quistad ha utilizzato un nuovo dispositivo microfluidico creato da MilliDrop, un’azienda biotecnologica spin-off fondata presso ESPCI Paris. L’analizzatore di MilliDrop è un sistema completamente automatizzato per la coltura e l’analisi di microrganismi che consente la crescita dei batteriofagi e dei loro ospiti in migliaia di piccole goccioline di sub-microlitri. La «macchina dell’evoluzione», come la chiama il dott. Quistad, fornisce eccellenti condizioni di crescita batterica mantenendo le cellule batteriche in costante movimento e offre la capacità di selezionare specifiche goccioline di interesse per analizzarle. Utilizzando questo dispositivo, il dott. Quistad e i suoi colleghi hanno approfondito l’impatto dei singoli batteriofagi sulla fisiologia dell’ospite e hanno identificato con successo diversi candidati responsabili del fenotipo PIHCD. Il lavoro in atto si concentra sull’identificazione dei candidati genetici che potrebbero essere responsabili di questo fenotipo. Prospettive future della microfluidica in microbiologia «Dimostrare l’utilità della microfluidica nello studio delle interazioni fago/ospite è stato senza dubbio il risultato più significativo del progetto EvoMachine-Phage», sottolinea il dott. Quistad. Inoltre, le opportunità senza precedenti di collaborazione interdisciplinare offerte da ESPCI Paris sono state fondamentali per il successo del progetto. L’istituto ha riunito chimici, fisici, ingegneri e biologi mantenendo legami con l’industria. L’impiego della microfluidica per testare rapidamente l’impatto dei batteriofagi sulla fisiologia dell’ospite potrebbe rivelarsi utile in un contesto clinico. Il metodo standard di riferimento basato su placche richiede circa 48 ore per l’isolamento dei batteriofagi da un campione ambientale. Tuttavia, per quanto riguarda le infezioni resistenti agli antibiotici, che possono diffondersi rapidamente, accelerare l’isolamento e l’identificazione dei batteriofagi potrebbe migliorare significativamente l’esito del trattamento. Il dispositivo di MilliDrop ha il potenziale per fornire risultati di significato clinico più rapidamente. Inoltre, potrebbe essere impiegato come strumento nella battaglia contro la multi-farmaco resistenza testando la virulenza di specifici isolati di batteriofagi contro i ceppi batterici di interesse. Il progetto EvoMachine-Phage ha fornito informazioni fondamentali sulla fisiologia dei batteriofagi e sulla loro interazione con i batteri. Considerando il coinvolgimento dei batteriofagi in una gamma di processi biologici, dal ciclo del carbonio al mantenimento della salute umana, ci si aspetta che i risultati del progetto trovino applicazioni in diversi altri campi oltre alle terapie basate sui batteriofagi.

Parole chiave

EvoMachine-Phage, batteriofago, batteri, microfluidica, MilliDrop, fenotipo ad alta densità cellulare indotta da fagi (PIHCD), gocciolina, multifarmacoresistente, ESPCI Paris, resistenza agli antibiotici

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