Ar putea nanoplasticele din mediu să transforme E. coli într-un răufăcător mai mare?

Un studiu publicat în jurnalul Scientific Reports a analizat modul în care Escherichia coli O157:H7, un patogen uman important, reacționează la expunerea la nanoplastice (NP) de polistiren cu sarcini electrice diferite. Cercetarea a fost realizată de o echipă interdisciplinară din SUA și a urmărit atât comportamentul de creștere bacteriană în condiții planktonice, cât și formarea de biofilm pe fragmente de microplastic (MP) din polietilentereftalat (PET), oferind date detaliate despre impactul genomic și fiziologic al acestor contaminanți emergenți.
Nanoplasticele (dimensiune ≤100 nm), derivate din degradarea deșeurilor plastice, sunt omniprezente în ecosistemele acvatice și terestre. Interacțiunea lor cu bacteriile a fost investigată în special pentru specii nepatogene, în timp ce efectele asupra bacteriilor patogene – inclusiv modificările fenotipice și moleculare – sunt slab înțelese. E. coli O157:H7 este o tulpină enteropatogenă, producătoare de toxină Shiga, asociată cu diaree hemoragică și sindrom hemolitic uremic. Supraviețuirea îndelungată a acestui patogen în medii precum solul, apa sau suprafețele industriale îl face un candidat ideal pentru studierea interacțiunilor cu nanoplasticele.

Despre studiul actual

Cercetătorii au expus tulpina E. coli O157:H7 EDL933 la trei tipuri de nanoplastic din polistiren de dimensiuni similare (30–100 nm), dar cu sarcini electrice diferite:

• NP(−): carboxilat, sarcină negativă
• NP(+): aminat, sarcină pozitivă
• NP(0): neutru, fără sarcină

Evaluarea a inclus:

• Creșterea și viabilitatea în culturi planktonice timp de 7 zile;
• Formarea biofilmului pe fragmente de PET la 7 și 15 zile;
• Analize moleculare de expresie genică (RNA-seq și qPCR);
• Estimări biochimice de proteine și carbohidrați în matricea biofilmului;
• Analiza stresului oxidativ prin măsurarea malondialdehidei (MDA) și a activității catalazei.

Rezultate

Efecte fiziologice ale nanoplasticelor asupra culturilor planctonice

• NP(+), la 100 mg/L, a prelungit semnificativ faza lag și a inhibat temporar creșterea bacteriană, indicând un efect bacteriostatic marcat.
• NP(−) și NP(0) nu au afectat semnificativ creșterea la 50 mg/L, dar NP(−) a arătat o ușoară reducere a viabilității la 100 mg/L.
• SEM a arătat o aderare preferențială a NP(+) la suprafața celulelor bacteriene.

Formarea și maturarea biofilmului pe microplastice PET

• La 15 zile, biofilmul în prezența NP(0) a fost mai dens și mai dezvoltat decât cel format în prezența NP(±), sugerând că sarcina particulelor influențează negativ dezvoltarea biofilmului.
• Estimările de volum biofilmic (prin CLSM) și absorbția violetului de cristal au arătat valori crescute în grupurile NP(0), comparativ cu NP(±).
• Conținutul de proteine și carbohidrați în biofilm a crescut semnificativ la 15 zile, cu excepția biofilmelor formate în prezența NP(+).

Viabilitatea celulară și stresul oxidativ în biofilm

• Numărul de celule vii în biofilmele expuse la NP(±) a fost redus la 7 zile, dar a crescut ulterior, indicând o adaptare întârziată.
• Nivelul de MDA a fost crescut semnificativ în prezența NP(+), sugerând stres oxidativ ridicat.
• Activitatea catalazei a fost redusă în toate biofilmele expuse la nanoplastic, posibil legată de mecanisme de cvorum sensing și adaptare la stres.

Expresia genică globală și specifică

• În condiții planktonice, NP(0) a indus cele mai multe gene diferențial exprimate, indicând o pătrundere eficientă în celulă.
• NP(±) au modificat semnificativ expresia unor gene de stres și virulență, precum operoanele phn și lsr.
• În biofilm, NP(−) a activat gene implicate în metabolismul etanolaminei (operonul eut), iar NP(+) a crescut expresia genelor de cvorum sensing (lsrA, lsrB, lsrC) și a redus expresia genelor de mobilitate (ex. flgA, flgB).

Expresia genică specifică analizată prin qPCR

• stx1a (toxina Shiga 1) a fost semnificativ upregulată în biofilmele expuse la NP(±).
• stx2a a fost upregulată doar în planktonic-NP(−), dar puternic downregulată în biofilm.
• Genele de adeziune (eaeA, fimH, bolA, fliC) au fost în general upregulate în biofilm, sugerând o adaptare activă la stresul mediului.
• Genele de stres rpoS și oxyR au fost în general downregulate în biofilm, posibil datorită protecției oferite de matricea EPS.

Concluzii

Expunerea la nanoplastic cu sarcini electrice influențează semnificativ fiziologia și expresia genomică a E. coli O157:H7. Nanoplasticul cu sarcină pozitivă (NP+) a avut cel mai puternic efect negativ asupra creșterii, viabilității și formării biofilmului, în timp ce NP(0) a avut un impact minim, dar au determinat cele mai multe modificări la nivel transcripțional.

Aceste rezultate sugerează că în medii naturale contaminate cu fragmente plastice și nanoplastice degradate, patogenii enterici pot dezvolta trăsături adaptative și de virulență sporite. Astfel, interacțiunea cu nanoplasticele ar putea contribui la supraviețuirea prelungită și la creșterea riscului de infectivitate al bacteriilor patogene, cu implicații directe pentru sănătatea publică și ecotoxicologie.

Implicații

• Este necesară reevaluarea riscului ecologic al nanoplasticului, nu doar ca poluanți fizici, ci și ca factori de modificare a patogenicității microbiene.
• Studiile viitoare ar trebui să vizeze alte bacterii patogene de interes alimentar și clinic, precum și condițiile complexe ale mediului real (pH, temperatură, co-contaminanți).
• Rezultatele ar putea contribui la reglementări mai stricte privind gestionarea deșeurilor plastice și la dezvoltarea unor strategii pentru monitorizarea riscurilor microbiene emergente.