Ecología de los plásmidos pequeños tipo ColE1 y su implicación en la resistencia a antibióticos

• Autores: Manuel Ares Arroyo
• Directores de la Tesis: Bruno González Zorn (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Número de páginas: 291
• Tribunal Calificador de la Tesis: María Molina Martín (presid.), Julio Álvarez Sánchez (secret.), Álvaro San Millán Cruz (voc.), María Pilar Garcillán Barcia (voc.), Aurora García Fernández (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Veterinaria por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Ciencias de la vida
    • Microbiología
      • Antibióticos
      • Bacteriología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La resistencia a los antibióticos constituye una de las mayores crisis sanitarias a las que se ha enfrentado la sociedad. Los principales responsables de la diseminación de genes de resistencia entre bacterias son los plásmidos, elementos genéticos móviles de replicación autónoma y efectores de la conjugación. La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio de la familia de plásmidos tipo ColE1. Esta familia engloba plásmidos pequeños, multicopia y movilizables, tradicionalmente asociados a la familia Enterobacteriaceae. Aunque estos plásmidos son los vectores más utilizados en la biología molecular moderna, su estudio en aislados naturales ha sido ampliamente desatendido. Sin embargo, recientes investigaciones han demostrado que pueden jugar un papel clave en la movilización de las resistencias a antibióticos. Por tanto, el objetivo de esta Tesis Doctoral es ampliar el conocimiento de esta familia de plásmidos, con especial atención a su relación con la resistencia a antibióticos. Para ello, se han realizado cuatro trabajos centrados en diferentes aspectos de los plásmidos ColE1, siguiendo cada uno de ellos una diferente perspectiva de trabajo: metagenómica, biología molecular, análisis computacional y evolución experimental.

    A lo largo de estos trabajos hemos observado que los plásmidos ColE1 son extraordinariamente abundantes en las poblaciones bacterianas, donde su prevalencia es independiente de la presión antibiótica a la que hayan sido sujetas. Además, no sólo son prevalentes en la familia Enterobacteriaceae, sino que se encuentran distribuidos en diferentes órdenes de Proteobacteria donde han estado evolucionando de forma divergente. Dado que sus sistemas de monitorización in vitro no son muy sensibles, hemos diseñado y validado un sistema PCR para su detección y análisis en aislados bacterianos y muestras metagenómicas. Asimismo, hemos diseñado un sistema para su detección in silico basado en perfiles HMM por el que hemos recopilado la colección más extensa de plásmidos ColE1 hasta la fecha, contando con 1.035 secuencias. Estos trabajos nos han permitido además observar la notable diversidad funcional que aportan a sus hospedadores, donde la resistencia a antibióticos supone la principal función accesoria. De hecho, observamos que los plásmidos ColE1 repercuten profundamente en el plasmidoma de su hospedador al ser frecuente su cointegración con otros replicones produciendo la consecuente movilización intracelular de genes de resistencia. Por último, se han estudiado los mecanismos implicados en la compensación del coste biológico de estos plásmidos mediante ensayos de evolución experimental. Para comprender la coadaptación plásmido/hospedador, realizamos un estudio integrativo combinando genómica, transcriptómica y metabolómica. Mediante este trabajo hemos demostrado que la compensación del plásmido tipo ColE1 se lleva a cabo por mínimas modificaciones en el hospedador, principalmente modificaciones transcripcionales en el metabolismo de aminoácidos y ácidos nucleicos, así como alteraciones metabólicas en fosfolípidos de la membrana.

    En conclusión, la presente Tesis Doctoral constituye uno de los estudios más amplios sobre la ecología y evolución de los plásmidos ColE1, en la que hemos determinado su prevalencia, hospedadores naturales, contribución funcional, plasticidad genética y los mecanismos causantes de su compensación. La estrecha asociación entre estos plásmidos y las resistencias a antibióticos ha sido manifestada a lo largo de los cuatro trabajos, demostrando la importante amenaza que estos plásmidos suponen en esta importante crisis sanitaria.

  • English

    Antimicrobial resistance is one of the major sanitary threats that society has ever faced. The massive use of these compounds in both human and veterinary medicine has led to the selection and dissemination of multidrug-resistant bacteria, threatening Public Health worldwide. Part of this crisis is caused by the extraordinary adaptability of bacteria. Through a process called Horizontal Gene Transfer (HGT), bacteria previously sensitive to an antimicrobial are able to develop resistance by acquiring genetic material from other microorganisms.Plasmids are the main mobile genetic elements responsible for the dissemination of resistance genes between bacteria via HGT. These elements show a remarkable prevalence within microbial populations, where they exhibit a huge diversity. Among all, this PhD dissertation focus on the study of the ColE1-like plasmid family. This family includes small, multicopy and mobilizable plasmids, with a narrow host-range, traditionally associated to Enterobacterales. The early discovery of these plasmids, together with their multicopy nature, has turned them into the most used vectors in modern molecular biology. Notwithstanding, their study in wild-type isolates and populations has been largely neglected...