Quando l'uragano Maria si è abbattuto, devastante Dominica, Santa Croce, e Porto Rico nel settembre 2017, inondazioni e interruzioni di corrente hanno devastato la terra debilitata, con conseguente contaminazione dei corsi d'acqua con rifiuti umani non trattati e microrganismi patogeni.

Sei mesi dopo il micidiale uragano di categoria 5, La professoressa di ingegneria civile e ambientale del Virginia Tech Amy Pruden ha guidato un team di ricercatori del Virginia Tech, tra cui Maria Virginia Riquelme e William Rhoads, poi ricercatori post-dottorato, che hanno fatto le valigie e le forniture di laboratorio e si sono diretti a Porto Rico.

Il territorio insulare degli Stati Uniti situato nel nord-est del Mar dei Caraibi era stato devastato, mettendo in crisi i suoi 3,4 milioni di abitanti. La distruzione di massa ha rappresentato un'opportunità fondamentale per i ricercatori per studiare come i danni alle infrastrutture delle acque reflue potrebbero contribuire alla diffusione della resistenza agli antibiotici, una crescente minaccia per la salute pubblica globale.

In uno studio pubblicato su American Chemical Society's Journal of Environmental Science &Technology, I ricercatori del Virginia Tech e i collaboratori internazionali hanno ulteriormente sviluppato un approccio innovativo alla sorveglianza della resistenza agli antibiotici applicando tecniche di sequenziamento del DNA per rilevare la diffusione della malattia nei bacini idrografici colpiti da tempeste su larga scala.

"Questo studio è un passo fondamentale verso la creazione di un approccio di sorveglianza unificato e completo per la resistenza agli antibiotici nei bacini idrografici, " disse Pruden, il W. Thomas Rice Professore di Ingegneria Civile e Ambientale. "Idealmente, può essere applicato come base per tenere traccia dei disturbi e dei problemi di salute pubblica associati a future tempeste".

Nell'ultimo decennio, Pruden, microbiologo e ingegnere ambientale, ha lavorato con i suoi studenti utilizzando il sequenziamento del DNA di nuova generazione, una specialità di Pruden, per esaminare i ceppi di Legionella come operano prima, durante, dopo, e al di fuori delle epidemie di malattia del legionario in varie città e paesi in tutto il paese, compreso Flint, Michigan.

Con il finanziamento RAPID della National Science Foundation e la collaborazione con la ricercatrice principale Christina Bandoragoda, ricercatore presso l'Università di Washington con esperienza nella modellazione dei bacini idrografici e nell'analisi geospaziale, I ricercatori della Virginia Tech hanno collaborato con Graciela Ramirez Toro, professore e direttore del Centro de Educación, Conservación e Interpretación Ambiental, e il suo gruppo di ricerca presso la locale Università Interamericana di San German, Portorico. Insieme, hanno identificato tre siti di campionamento nei bacini idrografici con modelli distinti di utilizzo del suolo e livelli di input di acque reflue che erano ideali per rintracciare modelli geospaziali in presenza di geni batterici che causano resistenza agli antibiotici.

Lo studente di dottorato di Pruden e primo autore dell'articolo Benjamin Davis ha utilizzato un metodo chiamato sequenziamento del DNA metagenomico shotgun per rilevare i geni di resistenza agli antibiotici in campioni di acqua di fiume da tre bacini idrografici, compresi i campioni raccolti durante le escursioni fino ai tratti incontaminati a monte dei bacini idrografici ea valle di tre impianti di trattamento delle acque reflue. La metagenomica è lo studio del materiale genetico recuperato direttamente da campioni ambientali.

L'analisi dei dati ha rivelato che due marcatori di resistenza agli antibiotici antropogenici - sequenze di DNA associate agli impatti umani sullo spartiacque - erano correlati con un insieme distinto di geni di resistenza agli antibiotici, rispetto a quelli che correlavano specificamente con i marcatori fecali umani.

Era evidente una chiara demarcazione dell'influenza degli impianti di trattamento delle acque reflue sui profili dei geni di resistenza agli antibiotici e i livelli erano elevati a valle degli impianti di trattamento delle acque reflue, con conseguente elevata diversità di geni che influiscono sulla resistenza agli antibiotici clinicamente importanti, come beta lattamici e aminoglicosidi, nei campioni di spartiacque. Alcuni dei geni di resistenza ai beta lattamici rilevati erano associati a infezioni mortali resistenti agli antibiotici nella regione e hanno mostrato prove di essere in grado di saltare attraverso i ceppi batterici. È stato anche notato che i geni di resistenza ai beta lattamici sono predetti in modo più accurato dai marcatori di resistenza agli antibiotici antropogenici rispetto ai marcatori fecali umani.

Sebbene i livelli di base dei geni di resistenza agli antibiotici nei bacini idrografici portoricani prima dell'uragano Maria siano sconosciuti, metodologie di sorveglianza come queste potrebbero essere utilizzate per valutare gli impatti futuri delle grandi tempeste sulla diffusione della resistenza agli antibiotici, hanno detto i ricercatori.

Molte comunità internazionali probabilmente non avranno accesso a sofisticati strumenti di monitoraggio basati sulla metagenomica nel prossimo futuro, ma l'identificazione di singoli bersagli genici, come i marcatori di resistenza agli antibiotici antropogenici, rendere molto più accessibile la sorveglianza spartiacque della resistenza agli antibiotici. E tali geni possono essere quantificati direttamente dalla reazione a catena della polimerasi quantitativa, resa conveniente, risultati rapidi in meno di un giorno.