Escherichia coli

Escherichia coli
Conservazione status
Stato di conservazione: Sicuro
Classificazione scientifica
Phylum: Proteobatteri Classe: Gamma Proteobacteria Ordine: Enterobacteriales Famiglia: Enterobacteriaceae Genus: Escherichia Specie: coli
Nome binomiale
Escherichia coli T. Escherich, 1885

Escherichia coli (IPA: ), è una delle specie ben note e significative di batteri che vivono come fauna intestinale nell’intestino inferiore dei mammiferi. Il numero di singoli batteri E. coli nelle feci che un uomo espelle in un giorno è in media tra 100 miliardi e 10 trilioni. Per questo motivo, l’E. coli è stato usato nell’analisi dell’acqua come indicatore di contaminazione fecale. Tuttavia, i batteri non sono confinati a questo ambiente, ed esemplari sono stati trovati anche, per esempio, sul bordo di sorgenti calde.

E. coli è solo una delle molte specie microbiche nei mammiferi. Per esempio, l’intestino crasso degli esseri umani ospita oltre 700 specie di batteri. Questi svolgono una varietà di funzioni, con molti benefici per l’organismo ospite. Per esempio, i batteri producono enzimi in grado di digerire molte delle molecole indigeste ai vertebrati, producono piccole quantità di vitamine da assorbire nel sangue e aiutano a prevenire la colonizzazione da parte di batteri tossici. Quando si trova nell’intestino crasso, l’E. coli fornisce anche alcuni di questi stessi valori per l’organismo ospite, assistendo nel trattamento dei rifiuti, nella produzione di vitamina K e nell’assorbimento del cibo. È sorprendente che il sistema immunitario umano, che è così abile a riconoscere gli organismi invasori, non si mobiliti contro l’E. coli come un oggetto estraneo.

L’E. coli esiste in un numero sempre crescente di ceppi a causa della mutazione e della ricombinazione ad alta frequenza (trasferimento genetico nella coniugazione). Anche se la gente generalmente intende gli E. coli come flora intestinale innocua, essi sono opportunisti e alcuni dei ceppi sono stati identificati come agenti causali gravi di varie malattie. Inoltre, i rischi per la salute associati all’E. coli sono diventati più complicati dal fatto che alcuni degli agenti causali hanno sviluppato resistenza contro gli antibiotici abituali.

Dalla sua scoperta nel 1885 da Theodor Escherich, un pediatra e batteriologo tedesco (Feng et al. 2002), l’E. coli è stato oggetto di intense ricerche teoriche e pratiche per la sua abbondanza in stretta associazione con gli esseri umani. Questo ha sicuramente contribuito a una migliore comprensione dei fenomeni naturali, specialmente nei campi della genetica, dell’ingegneria genetica e della microbiologia.

Caratteristiche generali

E. coli è un microrganismo a forma di bastoncello, Gram-negativo, anaerobo facoltativo, che fermenta il lattosio e non forma endospore. La sua cellula misura 1-2 µm di lunghezza e 0,1-0,5 µm di diametro. I suoi dieci flagelli sono raggruppati in una disposizione peritrale. I ceppi di E. coli consistono in un fattore di colicinogenia o plasmide col (anello di DNA extra-cromosomico), che è responsabile della produzione di batteriocina chiamata colicina, una tossina contro altri ceppi dello stesso genere.

E. coli è un membro della famiglia delle Enterobacteriaceae, che comprende molti generi, tra cui patogeni ben noti come Salmonella, Shigella e Yersinia. Una delle parole della radice del nome scientifico della famiglia, “enterico”, si riferisce all’intestino, ed è spesso usato come sinonimo di “fecale”. Tutti i diversi tipi di batteri coli fecali (cioè E. coli), e tutti i batteri molto simili (fratelli gemelli) che vivono nel suolo o nelle piante in decomposizione (di cui il più comune è Enterobacter aerogenes), sono raggruppati sotto il nome di coliformi. Tecnicamente, il “gruppo dei coliformi” è definito come l’insieme dei batteri aerobi e anaerobi facoltativi, non sporigeni, Gram-negativi, a forma di bastoncello, che fermentano il lattosio con produzione di gas entro 48 ore a 35°C (95°F). Nel corpo, questo gas viene rilasciato come flatulenza. Coliforme non è una classificazione tassonomica ma piuttosto una definizione di lavoro.

Come altri batteri, E. coli si moltiplica vegetativamente per fissione binaria. La presenza del fattore F (fattore di fertilità o fattore sessuale) ha anche permesso all’organismo di subire, qua e là, la coniugazione per il trasferimento laterale del DNA tra organismi. Il fattore F è una sequenza di DNA batterico che permette a un batterio di produrre un pilus sessuale e un ponte di coniugazione con un altro coniugante, necessario alla coniugazione. Contiene 20 geni tra (per “trasferimento”) e una serie di altre sequenze genetiche responsabili dell’incompatibilità, della replicazione e di altre funzioni. Durante la coniugazione in E. coli, il materiale genetico può quindi essere trasferito tra i due coniuganti e possono essere prodotti ricombinanti ad alta frequenza (ceppi con DNA cromosomico di un altro coniugante ricevuto come parte integrante del plasmide, cioè il fattore F). Inoltre, il trasferimento genetico può avvenire anche tramite trasduzione (trasferimento di un gene tramite batteriofago).

E. coli può sopravvivere fuori dall’ospite per un po’, ma la disinfezione di tutti i batteri attivi può essere facilmente effettuata tramite pastorizzazione o semplice bollitura, con un processo di sterilizzazione più rigoroso non richiesto poiché il batterio non forma spore.

Strains

Un “ceppo” di E. coli è un gruppo con alcune caratteristiche particolari che lo rendono distinguibile da altri gruppi di E. coli. Queste differenze sono spesso rilevabili solo a livello molecolare; tuttavia, possono causare cambiamenti nella fisiologia o nel ciclo di vita del batterio, portando per esempio al diverso livello di patogenicità (capacità di un organismo di causare malattie in un altro organismo).

Diversi ceppi di E. coli vivono in diversi tipi di animali, quindi è possibile rintracciare se il materiale fecale nell’acqua proviene da esseri umani o da uccelli, per esempio.

Nuovi ceppi di E. coli nascono continuamente dal naturale processo biologico di mutazione, e alcuni di questi ceppi sviluppano caratteristiche che possono essere dannose per il loro animale ospite. Anche se nella maggior parte degli esseri umani adulti sani un tale ceppo non causerebbe probabilmente più di un attacco di diarrea, e potrebbe non produrre alcun sintomo, nei bambini piccoli, nelle persone che sono o sono state recentemente malate, o nelle persone che assumono alcuni farmaci, un tale ceppo può causare gravi malattie e persino la morte. Il ceppo di E. coli O157:H7 è uno delle centinaia di ceppi del batterio che è virulento e causa malattie negli esseri umani (CCID/DBMD 2006). Si ritiene che questo processo abbia portato alla diffusione della capacità di sintetizzare tossine da Shigella a E. coli O157:H7.

La combinazione di lettere e numeri nel nome del ceppo batterico si riferisce ai marcatori specifici trovati sulla sua superficie e lo distingue da altri ceppi di E. coli. Si dice che E. coli O157:H7 possieda 5.000 geni nel suo genoma, che è circa 1.000 geni in più di quello di altri ceppi (NIH/NIAID 2001).

Extended-Spectrum Beta-Lactamase (ESBL)-producente E. coli sono ceppi resistenti agli antibiotici. Producono un enzima chiamato beta-lattamasi a spettro esteso, che li rende resistenti agli antibiotici, rendendo così le infezioni più difficili da trattare. In molti casi, solo alcuni antibiotici orali e un gruppo molto limitato di antibiotici per via endovenosa rimangono efficaci.

Rilevamento di E. coli

Il rilevamento di E. coli è l’unico modo sicuro di diagnosi delle malattie associate. Inoltre, rilevando la sua presenza o anche enumerando il suo numero, si valuta la gravità della contaminazione fecale e si danno suggerimenti adeguati. Così, ci sono stati diversi livelli di rilevamento dell’organismo.

Come risultato del loro adattamento all’intestino dei mammiferi, diversi ceppi di E. coli crescono meglio in vivo o alle temperature più alte caratteristiche di tale ambiente, piuttosto che le temperature più fresche trovate nel suolo e altri ambienti. I coliformi si differenziano molto facilmente dagli altri coltivandoli in un terreno lattosio-peptone-nutriente (per esempio, il brodo Mac-Conkey prodotto dalla Merck) a 37°C per 48 ore e controllando se possono produrre acido e gas. La stima del numero di cellule per unità viene effettuata con un test statistico a più fasi chiamato “metodo del numero più probabile (MPN)”.”

Per un’ulteriore differenziazione dei coli fecali, essi vengono coltivati in un terreno di agar lattosio-peptone-eosina-metilblu (EMB). Dopo aver incubato il terreno a 37°C per 48 ore, E. coli si sviluppa in colonie blu-nere con una luce che riflette una lucentezza metallica, mentre Enterobacter forma colonie viscide rossastre. Per E. coli O157:H7, il campione di feci deve essere testato su agar sorbitolo-MacConkey (SMAC).

Per effettuare la differenziazione completa del contaminante fecale (es. E. coli) e del contaminante non fecale (es. Enterobacter), viene utilizzata una serie di test biochimici che sono noti collettivamente come test IMViC. In questi test, la produzione di indolo dal triptofano (test dell’indolo), la produzione di un acido forte che causa il colore rosso nell’indicatore rosso metile (test del rosso metile), la produzione di acetoina (test di Voges-Proskauer), e l’uso di citrato come unica fonte di carbonio (test del citrato) sono condotti. E. coli mostra reazioni positive per i primi due test mentre Enterobacter aerogenes per gli ultimi due test.

Agente causale di malattie

Anche se la maggior parte dei ceppi sono innocui, il ceppo E. coli O157:H7 produce una potente tossina che può causare gravi malattie. Così l’E. coli O157:H7 è diventato una delle principali cause di malattie di origine alimentare (CDC 2006). L’E. coli può generalmente causare diverse infezioni intestinali ed extra-intestinali come infezioni del tratto urinario, meningite, peritonite, mastite, setticemia e polmonite gram-negativa. Se i batteri dell’E. coli escono dal tratto intestinale attraverso una perforazione (un buco o una lacerazione, per esempio da un’ulcera, un’appendice rotta o un errore chirurgico) ed entrano nell’addome, di solito causano una peritonite che può essere fatale senza un trattamento tempestivo.

Modalità di trasmissione

Il bestiame è la fonte principale di infezione da E. coli O157, poiché può vivere nell’intestino di bovini, cervi, capre e pecore sani; anche il loro letame è una fonte importante. Pertanto, la maggior parte delle malattie è stata associata al consumo di carne macinata poco cotta e contaminata. Poiché i coli tossici possono risiedere in animali che sono resistenti alla tossina, possono essere diffusi attraverso il contatto diretto nelle fattorie, negli zoo e così via. Tuttavia, le persone si sono ammalate anche mangiando salumi contaminati, germogli di fagioli o verdure a foglia fresca, come lattuga e spinaci.

Anche il contatto da persona a persona nelle famiglie e nei centri per l’infanzia è una modalità nota di trasmissione. Le persone infette da E. coli sono molto contagiose. Inoltre, l’infezione può avvenire dopo aver bevuto latte crudo e dopo aver nuotato o bevuto acqua o succhi di frutta contaminati da liquami.

È stato anche dimostrato che i ceppi di E. coli, in particolare O157:H7, possono essere trovati nelle mosche della sporcizia negli allevamenti di bestiame e nelle mosche domestiche e possono essere trasmessi da esse (Szalanski et al. 2004; Alam et al. 2004). Possono anche essere trasmessi a e dalle mosche della frutta ai frutti feriti e da lì alle persone al momento del consumo (Sela et al. 2005). Possono anche essere diffusi tramite particelle trasportate dall’aria in alcuni ambienti (Christie 2002).

Infezioni gastrointestinali

Gli E. coli enterici si dividono in base alle proprietà di virulenza in enterotossigeni (ETEC, agente causale della diarrea negli esseri umani, suini, ovini, caprini, bovini, cani e cavalli); enteropatogeni (EPEC, agente causale della diarrea negli esseri umani, conigli, cani, gatti e cavalli); enteroinvasivo (EIEC, trovato solo negli esseri umani); verotossigenico (VTEC, trovato in maiali, bovini, cani e gatti); enteroemorragico (EHEC, trovato in esseri umani, bovini e capre); ceppi suini che attaccano che colonizzano l’intestino in modo simile ai ceppi EPEC umani; ed E. coli (EAggEC, che si trova solo nell’uomo).

Alcuni ceppi di E. coli, come Escherichia coli O157:H7 e E. coli O104:H21, sono tossigeni (alcuni producono una tossina molto simile a quella vista nella dissenteria) e possono causare intossicazioni alimentari solitamente associate al consumo di formaggio e carne contaminata (contaminata durante o poco dopo la macellazione o durante la conservazione o l’esposizione). La contromisura abituale è la cottura della carne sospetta “ben cotta”; l’alternativa di un’attenta ispezione dei metodi di macellazione e macellazione (per assicurarsi che il colon dell’animale sia rimosso e non forato) non è stata apparentemente provata sistematicamente.

Questo ceppo particolare si crede sia associato all’epidemia di E. coli del 2006 negli Stati Uniti legata agli spinaci freschi. La gravità della malattia varia considerevolmente. Può essere fatale, in particolare per i bambini piccoli, gli anziani o le persone immunocompromesse, ma è più spesso lieve.

E. coli può ospitare sia enterotossine termostabili che termolabili. Quest’ultima, chiamata LT, è molto simile per struttura e funzione alla tossina del colera. Contiene una subunità “A” e cinque subunità “B” disposte in un’unica olotossina. Le subunità B aiutano l’adesione e l’ingresso della tossina nelle cellule intestinali dell’ospite, dove la subunità A viene scissa e impedisce alle cellule di assorbire l’acqua, causando la diarrea. La LT viene secreta attraverso la via di secrezione di tipo 2 (Tauschek et al. 2002).

E. coli possiede macchinari specifici di nucleazione-precipitazione per produrre oglimeri amiloidi solubili e farli precipitare come curli, una rete di fibre che legano i batteri alle cellule ospiti e tra loro. L’importanza dell’E. coli come fonte di amiloide è sconosciuta, ma le fibre amiloidi sono una componente di numerosi processi patologici umani, compreso il morbo di Alzheimer (Chapman et al. 2002).

Infezioni del tratto urinario (UTI)

Anche se è più comune nelle femmine a causa del tratto urinario più corto, l’infezione del tratto urinario si osserva sia nei maschi che nelle femmine. Si trova in proporzioni approssimativamente uguali negli uomini e nelle donne anziane. Poiché i batteri entrano invariabilmente nel tratto urinario attraverso l’uretra, chiamate “infezioni ascendenti”, le cattive abitudini igieniche possono predisporre all’infezione. Tuttavia, anche altri fattori sono importanti (la gravidanza nelle donne, l’ingrossamento della prostata negli uomini) e in molti casi l’evento scatenante non è chiaro. Mentre le infezioni ascendenti sono generalmente la regola per le infezioni del tratto urinario inferiore e la cistite, lo stesso può non valere necessariamente per le infezioni del tratto urinario superiore come la pielonefrite, che può essere di origine ematogena. La maggior parte dei casi di infezioni del tratto urinario inferiore nelle donne sono benigni e non hanno bisogno di esami di laboratorio approfonditi. Tuttavia, l’UTI nei neonati deve essere sottoposta a uno studio di imaging, in genere un uretrogramma retrogrado, per accertare la presenza/assenza di anomalie congenite del tratto urinario. Anche i maschi devono essere indagati ulteriormente.

In alcune persone, E. coli O:157H:7 è ulteriormente noto per causare complicazioni gravi, anche pericolose per la vita come la sindrome emorragica uremica (HUS). Le persone con questo problema ottengono anemia emolitica (che è un basso numero di globuli rossi), trombocitopenia (che è un basso numero di piastrine) e insufficienza renale (che è un danno renale). Circa l’8% delle persone la cui malattia diarroica è abbastanza grave da richiedere cure mediche sviluppa questa complicazione. Negli Stati Uniti, la HUS è la causa principale di insufficienza renale acuta nei bambini, e la maggior parte dei casi di HUS sono causati da E. coli O157:H7 (CDC 2006).

Trattamenti delle infezioni da E. coli

Terapia antibiotica

Il trattamento appropriato delle infezioni da E. coli dipende dalla malattia e dovrebbe essere guidato, quando possibile, dall’analisi di laboratorio delle suscettibilità antibiotiche del ceppo infetto. Come organismi Gram-negativi, E. coli sono resistenti a molti antibiotici che sono efficaci contro gli organismi Gram-positivi. Gli antibiotici che possono essere usati per trattare l’infezione da E. coli includono (ma non sono limitati a) amoxicillina e altre penicilline semisintetiche, molte cefalosporine, carbapenemi, aztreonam, trimetoprim-sulfametossazolo, ciprofloxacina, nitrofurantoina e gli aminoglicosidi. Non tutti gli antibiotici sono adatti per ogni malattia causata da E. coli, e il consiglio di un medico dovrebbe essere richiesto.

La resistenza agli antibiotici è un problema crescente. In parte questo è dovuto all’uso eccessivo di antibiotici negli esseri umani, ma in parte è probabilmente dovuto all’uso di antibiotici come promotori della crescita negli animali da allevamento (Johnson et al. 2006). La resistenza agli antibiotici beta-lattamici è diventata più seria negli ultimi decenni in quanto i ceppi che producono beta-lattamasi a spettro esteso rendono molte, se non tutte, le penicilline e le cefalosporine inefficaci come terapia.

E. coli è un membro frequente dei biofilm multispecie. Alcuni ceppi sono piliati (con plasmide F) e capaci di accettare e trasferire plasmidi da e verso altri batteri della stessa specie o di specie diverse. L’E. coli spesso porta plasmidi resistenti a più farmaci e sotto stress trasferisce prontamente questi plasmidi ad altre specie. Così E. coli e gli altri membri delle enterobacteriaceae sono importanti serbatoi di resistenza antibiotica trasferibile (Franiczek et al. 2006).

Tuttavia, E. coli sono estremamente sensibili ad antibiotici come la streptomicina o la gentamicina, quindi il trattamento con questi antibiotici è solitamente efficace. Questo potrebbe cambiare rapidamente, dato che, come notato sopra, l’E. coli acquisisce rapidamente la resistenza ai farmaci (NIH 2001). L’Accademia Americana delle Scienze suggerisce di ridurre al minimo l’uso di antibiotici.

Terapia dei fagi

La terapia dei fagi è l’uso di virus che mirano specificamente ai batteri patogeni. È stata sviluppata negli ultimi 80 anni, principalmente nell’ex Unione Sovietica, dove è stata usata per prevenire la diarrea causata dall’E. coli, tra le altre cose, nell’Armata Rossa, ed era ampiamente disponibile al banco.

Vaccino

I vaccini contro l’E. coli sono stati in sviluppo per molti anni (Girard et al. 2006). Nel marzo del 2006, un vaccino che suscita una risposta immunitaria contro il polisaccaride specifico di E. coli O157:H7 O coniugato con l’esotossina A ricombinante di Pseudomonas aeruginosa (O157-rEPA) è stato riportato come sicuro e immunogenico in bambini dai due ai cinque anni. Si è già dimostrato sicuro e immunogenico negli adulti. E’ previsto uno studio clinico di fase III per verificare l’efficacia su larga scala del trattamento (Ahmed 2006).

Nel gennaio 2007, l’azienda biofarmaceutica canadese Bioniche ha annunciato di aver sviluppato un vaccino per il bestiame che riduce il numero di batteri rilasciati nel letame di un fattore 1.000, a circa 1.000 batteri per grammo di letame (Pearson 2007; CanadaAM 2007; BionichePR 2007).

Significato in microbiologia

A causa della sua ubiquità, E. coli è frequentemente studiato in microbiologia ed è comunemente usato come organismo modello per lo studio dei batteri in generale. La sua struttura è già stata chiaramente compresa, e costituisce un eccellente obiettivo per studenti principianti, intermedi e avanzati delle scienze della vita. Il fattore di fertilità (F-Plasmid) e la coniugazione batterica sono stati scoperti per la prima volta in E. coli, e rimane il modello principale per studiare la coniugazione e il trasferimento genico.

È l’attuale “cavallo di battaglia” della biologia molecolare. I ceppi usati in laboratorio si sono adattati efficacemente a quell’ambiente, e non sono più così ben adattati alla vita nell’intestino dei mammiferi come il tipo selvaggio. Un adattamento importante è la perdita delle grandi quantità di mucopolisaccaridi del biofilm esterno prodotte dal tipo selvaggio per proteggersi dagli anticorpi e da altri attacchi chimici, ma che richiedono un grande dispendio di risorse energetiche e materiali dell’organismo. Questo può essere visto quando si coltivano gli organismi su piastre di agar; mentre i ceppi di laboratorio producono colonie individuali ben definite, con i ceppi wild type le colonie sono incorporate in questa grande massa di mucopolisaccaride, rendendo difficile isolare le singole colonie.

A causa di questa lunga storia di coltura e manipolazione in laboratorio, l’E. coli gioca un ruolo importante nella moderna ingegneria biologica. I ricercatori possono alterare i batteri per servirli come “fabbriche” per sintetizzare DNA e/o proteine, che possono poi essere prodotti in grandi quantità usando i processi di fermentazione industriale. Una delle prime applicazioni utili della tecnologia del DNA ricombinante è stata la manipolazione di E. coli per produrre insulina umana per i pazienti con il diabete. Gli scienziati stanno ingegnerizzando sinteticamente l’E. coli che può colpire e uccidere le cellule tumorali (Singer 2006).

Significato nel determinare la purezza dell’acqua e il trattamento delle acque reflue

Sulla base dell’esame microbiologico dell’acqua, la sua portabilità (idoneità al consumo) può essere accertata. La presenza di batteri coliformi nelle acque superficiali è un indicatore comune di contaminazione fecale.

Nel campo della purificazione dell’acqua e del trattamento delle acque reflue, l’E. coli è stato scelto molto presto nello sviluppo della tecnologia come “indicatore” del livello di inquinamento dell’acqua, cioè la quantità di materia fecale umana in essa. L’E. coli è usato per la rilevazione perché costituisce circa il 10% dei microrganismi intestinali di uomini e animali; di conseguenza, ci sono molti più coliformi nelle feci umane di quanti siano gli agenti patogeni. (La Salmonella typhi è un esempio di tale patogeno, che causa la febbre tifoide). L’E. coli è di solito innocuo, quindi non può “liberarsi” in laboratorio e far male a qualcuno.

Il test per la presenza di coliformi nell’acqua ha tradizionalmente coinvolto tre test standard di routine: (a) il test presuntivo, (b) il test confermato e (c) il test completo. Il test presuntivo si limita ad osservare i coliformi in termini di produzione di gas dalla fermentazione del lattosio. Poiché la produzione di gas non è dovuta solo a contaminanti fecali, ma anche a contaminanti non fecali e non coliformi, i test presuntivi positivi vengono ulteriormente analizzati dal test di conferma. Qui viene testata la caratteristica speciale dei coli fecali (E. coli), come la lucentezza metallica esibita dalle colonie nel terreno EMB-agar, e così via. Per completare il test sanitario, quelli positivi nel test confermato sono controllati per la produzione di gas e le caratteristiche morfologiche di E. coli.

Inoltre, il numero di coliformi e di E. coli per unità di volume del campione d’acqua può essere stimato usando i test MPN (most probable number). Confrontando il numero di coliformi/E. coli con l’indice di coliformi standardizzato, la qualità dell’acqua può essere classificata e raccomandata per un certo uso o per nessuno. Molti di questi test sono fatti di routine nei sistemi di stoccaggio e distribuzione dell’acqua.

Tuttavia, a volte può essere fuorviante usare solo l’E. coli come indicatore di contaminazione fecale umana perché ci sono altri ambienti in cui l’E. coli cresce bene, come le cartiere. In altri luoghi, test più avanzati li hanno sostituiti. Altri organismi come lo Streptococcus bovis e alcune specie di Clostridium sono utilizzati anche come indice di contaminazione fecale delle fonti di acqua potabile.