Academic literature on the topic 'Comunità batterica'

Il presente studio ha cercato di compilare i dati sulla resistenza agli antimicrobici dei batteri del genere Staphylococcus aureus negli ospedali pubblici brasiliani, anni 2008-2015. I dati disponibili negli articoli pubblicati in riviste nazionali ed internazionali, attraverso la ricerca attiva nel periodo 2014-2015, con parole chiave: Staphylococcus aureus in ambiente ospedaliero, lesioni causate da Staphylococcus aureus negli ospedali pubblici brasiliani e Staphylococcus aureus resistenza agli antimicrobici. I risultati hanno mostrati una grande prevalenza di multidrug-resistente Staphylococcus aureus-MRSA meticillino-in ospedale unità in Brasile, secondo gli articoli analizzati, pubblicati tra gli anni dal 2008 al 2015. È concluso che lo stafilococco sono agenti patogeni che rimangono nell’ambiente dell’ospedale, creando qualche resistenza a determinati farmaci, che ha contribuito alla ricerca di maggiore rispetto all’uso indiscriminato di antimicrobici nella Comunità e farmaci più efficaci per il trattamento di questi microrganismi in unità ospedaliere. Parole chiave: Staphylococcus aureus, unità ospedaliera, la resistenza antimicrobica.

Introduzione: Secondo i CDC americani il bioterrorismo viene definito come “rilascio di virus, batteri e altri agenti allo scopo di causare malattie o morte nella popolazione, ma anche animali e piante”. Fin dall’antichità si riconobbe il potenziale degli agenti biologici come arma, ma solo con le scoperte di Kock e Pasteur del XIX secolo si poté parlare più propriamente di “guerra batteriologica”. Lo scopo del presente lavoro è stato quello di studiare e confrontare tutte le più moderne evidenze scientifiche in materia di bioterrorismo, per valutare lo stato dell’arte in materia e fornire uno strumento utile per la prevenzione e gestione di una possibile minaccia biologica. Metodologia: Lo studio è stato condotto ricercando la letteratura scientifica attraverso la banca dati PUBMED. Si è basata sull’utilizzo di differenti stringhe di ricerca utilizzando keywords che potessero ben centrare l’argomento di interesse. A ciò è stata aggiunta anche la consultazione dei database dei Centers For Disease Control and Prevention che si focalizzassero sull’argomento. Risultati: Il caso delle “lettere all’antrace” ha dimostrato come il bioterrorismo rimane ancora un pericolo per tutta la comunità, e deve essere preso seriamente in considerazione a livello individuale e politico. Il requisito fondamentale per un attacco biologico è innanzitutto la disponibilità dell’agente patogeno o di tossine, in quantità sufficiente a colpire l’organismo umano e causare malattia. I terroristi tuttavia non necessitano, per i loro scopi, di agenti di distruzione di massa e ciò apre loro un più ampio schieramento di possibilità, preferendo agenti prontamente disponibili, prima fra tutte la tossina del ricino. Necessaria è pertanto una preparazione adeguata per microbiologi clinici e personale sanitario volta a identificare e trattare tempestivamente gli agenti biologici implicati, e il mantenimento di scorte di emergenza di farmaci. Conclusioni: Sebbene il bioterrorismo rappresenti una forma marginale, se confrontato con forme tradizionali di terrorismo con armi ed esplosivi, è fondamentale che la Sanità Pubblica risponda in modo adeguato a questa potenziale minaccia: un pronto riconoscimento dell’evento è il passo fondamentale per assicurare il contenimento dell’infezione del numero delle vittime.

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

La qualità delle fave di cacao disponibili in commercio, che rappresentano la principale materia prima per la produzione di cioccolato, dipende da diversi fattori inclusi: il tipo di piantagione, le pratiche agricole ed il processo di post raccolta. Tra queste; fermentazione ed essicazzione sono generalmente considerate le più rilevanti, dal momento in cui, durante queste fasi, vengono formati e fissati i precursori degli aromi del cacao. Inoltre, esse rappresentano un step cruciale durante il quale possono verificarsi contaminazioni da parte dei funghi filamentosi. La fermentazione è caratterizzata da una successione ben definita di lieviti, batteri lattici e batteri acetici, a tal fine, lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di esplorare e descrivere in modo completo le comunità batteriche e fungine coinvolte nella fermentazione delle fave di cacao e valutare se l’origine geografica ed il metodo di fermentazione potessero influenzare la loro composizione. Per ottenere tali risultati il gene 16s rRNA è stato usato come marker per descrivere la comunità batterica totale mediante High Throughput Sequencing (HTS), dimostrando come tale approccio abbia la capacità di evidenziare la totalità delle comunità batteriche a livello di specie. In un secondo approccio l’Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) ed il dominio D1/D2 della sub unità maggiore dell’RNA ribosomiale (26s rRNA) sono stati selezionati per descrivere la popolazione fungina. I risultati hanno evidenziato come le due regioni abbiano la capacità di descrivere la composizione generale delle popolazioni, sebbene il dominio D1/D2 sia stato in grado di analizzare più nel dettaglio la composizione. Infine gli stessi campioni sottoposti all’analisi mediante HTS sono stati analizzati mediante SPME-GC-MS per evidenziare i principali composti aromatici formatisi durante il processo di post raccolta. Complessivamente i risultati indicano chiaramente che l’approccio mediante HTS ha le potenzialità per fornire una dettagliata visione d’insieme delle comunità batteriche e fungine presenti durante le fasi di post raccolta delle fave di cacao, inoltre le analisi statistiche hanno evidenziato come l’ITS1 ed i composti volatili possano essere utilizzati per la tracciabilità geografica.
The quality of commercial cocoa beans, the principal raw material for chocolate production, depends on several factors including type of plantations, the agricultural practices and the post-harvest processing. Among these, fermentation and drying are generally considered the most relevant, since during these phases cocoa flavors precursors are formed and fixed. Furthermore, they represent crucial steps during which filamentous fungi contamination might occur. Fermentation is characterized by a well-defined succession of yeasts, lactic acid bacteria and acetic acid bacteria, so that, the aim of the described studies was to explore total bacterial and fungal communities involved in cocoa bean fermentation and to evaluate if geographical origin and fermentation method might affect their composition. To achieve these results, 16s rRNA gene was used as marker to assess the total bacterial community by using High Throughput Sequencing (HTS), indicating that this approach has the ability to provide a comprehensive view of the cocoa bean microbiota at the species level. In a second approach, Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) and the D1/D2 domain of the Large subunit (LSU) of the nuclear ribosomal RNA (26S rRNA) were screened to assess the total fungal community. Results revealed the ability of these two genomic regions to describe reliably the general composition, even if D1/D2domain was able to go deeper into the fungal composition resulting in a higher resolution. In the last approach the same samples subjected to HTS investigation were analyzed through SPME-GC-MS in order to underline the principal key-aroma compounds formed during the post-harvest processing. Overall, results point out clearly that HTS approach has the ability to provide a comprehensive view of the total bacterial and fungal communities, and statistical analyses have shown how analyses of ITS1 sequences and volatile compounds might be useful for the geographical traceability of the processed cocoa beans samples.

La qualità delle fave di cacao disponibili in commercio, che rappresentano la principale materia prima per la produzione di cioccolato, dipende da diversi fattori inclusi: il tipo di piantagione, le pratiche agricole ed il processo di post raccolta. Tra queste; fermentazione ed essicazzione sono generalmente considerate le più rilevanti, dal momento in cui, durante queste fasi, vengono formati e fissati i precursori degli aromi del cacao. Inoltre, esse rappresentano un step cruciale durante il quale possono verificarsi contaminazioni da parte dei funghi filamentosi. La fermentazione è caratterizzata da una successione ben definita di lieviti, batteri lattici e batteri acetici, a tal fine, lo scopo del presente lavoro di tesi è stato quello di esplorare e descrivere in modo completo le comunità batteriche e fungine coinvolte nella fermentazione delle fave di cacao e valutare se l’origine geografica ed il metodo di fermentazione potessero influenzare la loro composizione. Per ottenere tali risultati il gene 16s rRNA è stato usato come marker per descrivere la comunità batterica totale mediante High Throughput Sequencing (HTS), dimostrando come tale approccio abbia la capacità di evidenziare la totalità delle comunità batteriche a livello di specie. In un secondo approccio l’Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) ed il dominio D1/D2 della sub unità maggiore dell’RNA ribosomiale (26s rRNA) sono stati selezionati per descrivere la popolazione fungina. I risultati hanno evidenziato come le due regioni abbiano la capacità di descrivere la composizione generale delle popolazioni, sebbene il dominio D1/D2 sia stato in grado di analizzare più nel dettaglio la composizione. Infine gli stessi campioni sottoposti all’analisi mediante HTS sono stati analizzati mediante SPME-GC-MS per evidenziare i principali composti aromatici formatisi durante il processo di post raccolta. Complessivamente i risultati indicano chiaramente che l’approccio mediante HTS ha le potenzialità per fornire una dettagliata visione d’insieme delle comunità batteriche e fungine presenti durante le fasi di post raccolta delle fave di cacao, inoltre le analisi statistiche hanno evidenziato come l’ITS1 ed i composti volatili possano essere utilizzati per la tracciabilità geografica.
The quality of commercial cocoa beans, the principal raw material for chocolate production, depends on several factors including type of plantations, the agricultural practices and the post-harvest processing. Among these, fermentation and drying are generally considered the most relevant, since during these phases cocoa flavors precursors are formed and fixed. Furthermore, they represent crucial steps during which filamentous fungi contamination might occur. Fermentation is characterized by a well-defined succession of yeasts, lactic acid bacteria and acetic acid bacteria, so that, the aim of the described studies was to explore total bacterial and fungal communities involved in cocoa bean fermentation and to evaluate if geographical origin and fermentation method might affect their composition. To achieve these results, 16s rRNA gene was used as marker to assess the total bacterial community by using High Throughput Sequencing (HTS), indicating that this approach has the ability to provide a comprehensive view of the cocoa bean microbiota at the species level. In a second approach, Internal Transcribed Spacer 1 (ITS1) and the D1/D2 domain of the Large subunit (LSU) of the nuclear ribosomal RNA (26S rRNA) were screened to assess the total fungal community. Results revealed the ability of these two genomic regions to describe reliably the general composition, even if D1/D2domain was able to go deeper into the fungal composition resulting in a higher resolution. In the last approach the same samples subjected to HTS investigation were analyzed through SPME-GC-MS in order to underline the principal key-aroma compounds formed during the post-harvest processing. Overall, results point out clearly that HTS approach has the ability to provide a comprehensive view of the total bacterial and fungal communities, and statistical analyses have shown how analyses of ITS1 sequences and volatile compounds might be useful for the geographical traceability of the processed cocoa beans samples.

In the semi-arid Mediterranean regions, extended reaches of rivers and streams show a recurrent dry phases of varying duration and spatial extent. It is important to study the effects of water stress on riverine ecological processes since freshwater systems are crucial in linking terrestrial and marine environments, My Doctorate thesis research, supported by the European TempQsim project (EVK1-CT2002-00112), was aimed to investigate the dynamics of microbial communities associated to sediments in temporary rivers. In particular, I have been investigating the effects of water stress on the structure and function of benthic bacterial communities and their role in the carbon cycle of rivers characterized by a seasonal hydrologic regime. Bacterial abundance and phylogenetic composition were assessed by molecular techniques, while bacterial activity was estimated by measuring the incorporation rates of radioactive tracers and by immunofluorescence. From a methodological point of view, all applied techniques required a specific optimization phase in order to increase their analytical efficiency. In particular, a detachment procedure to extract and purify bacterial cells from freshwater sediments was optimized by the combined use of different chemical and physical treatments, followed by high-speed density gradient centrifugation using the medium Nycodenz. This procedure was initially applied to analyze the benthic bacterial communities in rivers with stable water flow conditions (Rivers Albegna, Ente, Fiora – Tuscany, Italy; River Cremera – Lazio, Italy). In addition, the efficiency of specific in situ hybridization techniques (Fluorescence In Situ Hybridization with fluorescently monolabeled probes – FISH; Fluorescence In Situ Hybridization with signal amplification by Catalyzed Reporter Deposition – CARD-FISH) was tested with regards to the different physicochemical characteristics of selected sediments (i.e. sediment organic matter and moisture content). In this respect, CARD-FISH protocol was improved to better estimate the occurrence of specific phylogenetic clusters in dry sediments. For the field study, sediments were regularly collected at the river outlet section of the River Mulargia (Sardinia, Italy). A seasonal in-depth study was performed for benthic bacterial composition and activity analyses. Additional tests were performed in artificial microcosms to experimentally describe benthic bacterial responses to drying and rewetting processes, by simulating desiccation and re-inundation of sediments collected from four European temporary rivers (River Mulargia and Tagliamento - Italy; River Krathis - Greece; River Pardiela - Portugal). In a further laboratory experiment, the composition and activity of the bacterial community that primary colonized the water phase was followed in microcosms set up with Mulargia sediments. This study could contribute to better understand the ecological role of those benthic microbes that reside in a state of low-activity in dry sediments and promptly colonize the new incoming water at the end of the dry period. In synthesis, my Doctorate research contributed to a better understanding of the functional role of bacterial community in river sediments. The results could help to elucidate the mechanisms involved in the sediment transformation processes during drought periods, which are attended to increase in length and frequency as a possible effect of climatic changes.

Microbial communities are ubiquitous and play crucial roles in many natural processes (e.g., biogeochemical cycles and industrial processes). Despite their importance, however, there are still many aspects of microbial community dynamics that we do not fully understand. In this Thesis we provide two improvements to the approach used to study competition in microbial communities that can help us in this direction. The theoretical framework on which we build is MacArthur's consumer-resource model, commonly used to describe mathematically competition between microbes. The first improvement consists in introducing an optimization principle in the dynamics of such systems, so that we can include in mathematical models the well known fact that microbes can switch between different energy sources depending on environmental conditions. We require that each species does so in order to maximize its own relative fitness, and we explore the consequences of this choice on the biodiversity of competitive communities, comparing also the model with experimental data. Then, we reconsider the consumer-resource framework in light of experimental evidence showing that the allocation of cellular internal resources affects microbial growth. This new framework describes community dynamics at an intermediate level of complexity, allowing us to explore the relationship between population dynamics and microbial metabolism, which has attracted the attention of the scientific community in recent years. We compare the predictions of our new model with experimental data in a simple case, and then we study its predictions analytically and numerically to understand how biodiversity in competitive communities can be maintained.
Le comunità microbiche sono onnipresenti in natura, e giocano ruoli fondamentali in moltissimi processi naturali (come cicli biogeochimici e processi di produzione industriale). Nonostante la loro importanza, ci sono ancora molti aspetti delle comunità microbiche che non comprendiamo appieno. In questa Tesi vengono proposti due miglioramenti all'approccio nello studio della competizione in comunità microbiche che possono aiutarci in questa direzione. Il framework teorico sul quale si fonda il lavoro di questa Tesi è il modello consumer-resource di MacArthur, comunemente utilizzato per descrivere matematicamente la competizione fra specie microbiche. Il primo miglioramento consiste nell'introduzione di un principio di ottimizzazione nella dinamica di questo tipo di sistemi, di modo tale da includere nei modelli matematici il fatto (ben noto sperimentalmente) che i batteri possono passare da una fonte di energia all'altra a seconda delle condizioni ambientali. In particolare, in questa Tesi si impone che ogni specie faccia ciò con l'obiettivo di massimizzare il proprio tasso di crescita, e si esplorano le conseguenze di questa scelta sulla biodiversità di comunità competitive, confrontando anche il modello con dati sperimentali. Dopodiché, in questa Tesi il consumer-resource framework viene riconsiderato alla luce di evidenze sperimentali che mostrano come l'allocazione delle risorse cellulari interne influenzi la crescita di specie microbiche. Questo nuovo framework descrive le comunità a un livello intermedio di complessità, consentendo di esplorare la relazione fra dinamica delle popolazioni e metabolismo microbico, una relazione che ha attirato l'attenzione della comunità scientifica di recente. Le predizioni di questo nuovo framework vengono confrontate con dati sperimentali in un caso semplice, dopodiché il modello e le sue predizioni vengono studiati analiticamente e numericamente per capire come la biodiversità possa essere mantenuta in comunità competitive.

This study provides a complete view of the composition of the microbial community in Montasio cheese obtained using a culture-independent approach. By molecular direct methods, microbial DNA and RNA were extracted from cheese matrixes without any culturing step. To identify the bacteria populations of raw milk and cheese samples, clone libraries were constructed from the 16S rRNA PCR amplified from DNA (and cDNA). T-RFLP (terminal restriction fragment length polymorphism) was used to identify clones and to investigate the community structure. real-time quantitative PCR (qRT-PCR) assays were also developed to detect and quantify three species and one genus of lactic-acid bacteria (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus casei, Pediococcus pentosaceus, Enterococcus spp.). One qRT-PCR assay was developed to detect Pseudomonas spp., a food spoilage related bacteria. Pseudomonas spp., Acinetobacter spp. and Enterobacter spp., the most frequently reported psychrotrophs in raw milk, were found also in our milk samples. Streptococcus thermophilus, added as starter, was the predominant LAB species throughout the whole ripening period of Montasio cheese. Enterococci were also found and they resulted probably from milk. Instead, Pediococcus pentosaceus and Lactobacillus casei were detected only in the mature cheeses. Expression analysis of TCS (two component regulatory system) genes were also performed by qRT-PCR. This work was a prelimanary study to evaluate the quality and quantity of RNA (extracted from cheese matrix) in gene expression studies.
In questo studio è stata analizzata la biodiversità microbica durante le fasi di produzione del formaggio Montasio D.O.P utilizzando un approccio coltura-indipendente. Con le metodiche molecolari è possibile estrarre il DNA e l'RNA microbico direttamente dalla matrice formaggio senza utilizzare alcuna metodica colturale di microbiologia classica. Per identificare le popolazioni batteriche del latte crudo e dei campioni di formaggio sono state costruite delle librerie 16S rRNA a partire da DNA e RNA. Il sequenziamento e il T-RFLP (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) sono stati impiegati per l'analisi dei cloni. Il T-RFLP è stato applicato anche per l'analisi diretta delle comunità microbiche presenti nei campioni di Montasio. Saggi in real-timePCR quantitativa (qRT-PCR) sono stati messi a punto per rilevare e quantificare tre specie e un genere di batteri lattici (Streptococcus thermophilus, Lactobacillus casei, Pediococcus pentosaceus, Enterococcus spp.). Un saggio qRT-PCR è stato sviluppato per rilevare Pseudomonas spp. Acinetobacter spp., Pseudomonas spp. e Enterobacter spp., i batteri psicotrofi più comunemente riportati nel latte crudo, sono stati trovati anche nei campioni di latte analizzati in questo studio. Streptococcus thermophilus, aggiunto come starter, è stato la specie LAB (Lactic Acid Bacteria) predominante attraverso tutto il periodo di maturazione del formaggio Montasio. Anche enterococchi sono stati ritrovati durante le fasi di stagionatura e questi, probabilmente, derivavano dal latte crudo. Pediococcus pentosaceus e Lactobacillus casei sono stati rilevati solo nei campioni di formaggio stagionato. Sono stati messi inoltre a punto dei saggi in real-timePCR per studiare l’espressione di otto geni implicati nel sistema quorum-sensing in Streptococcus thermophilus. Questo è stato fatto per verificare l’applicabilità di studi di espressione genica su RNA batterico estratto direttamente dalla matrice formaggio con l'intenzione, in futuro, di utilizzare questa tipologia di studi per la caratterizzazione di funzioni geniche interessanti per la produzione di prodotti lattiero-caseari.

Nella microbiologia lattiero-casearia, la ricerca è passata dallo studio del comportamento di singoli microrganismi in situazioni controllate allo studio di comunità batteriche complesse e alla loro interrelazione con il sistema circostante. In questa tesi sono stati studiati tre concetti chiave: lo studio della micro-diversità microbica, analizzando un genere specifico “Microbacterium” nel latte microfiltrato, il microbiota complesso del latte crudo e la vitalità cellulare nel siero-innesto naturale. I tre approcci utilizzati sono complementari per comprendere le dinamiche di processo e i fenomeni nelle produzioni lattiero casearie. Il genere Microbacterium è stato trovato prevalentemente nel latte fresco microfiltrato con una capacità di crescita a basse temperature. Inoltre, una nuova specie è stata scoperta e classificata con il nome Microbacterium paulum. Il profilo chimico e microbiologico misurato con tecniche omiche del latte crudo ha rivelato un'influenza del sistema di alimentazione che riguarda principalmente i metaboliti secondari e alcune unità tassonomiche significative, tra cui Pseudomonas e Staphylococcus. Infine, lo studio dello stato di salute della comunità lattica presente nel siero-innesto ha permesso la scoperta di un metodo rapido per valutare le prestazioni tecnologiche del siero-innesto sostituendosi alle tecniche basate su metodi di coltura in piastra.
In dairy microbiology, research has moved from the study of the behavior of single microorganisms in milk in controlled situations to the study of complex bacterial communities and their interrelationship with the surrounding system. Three key concepts were studied in this thesis: the study of microbial micro-diversity by analyzing a specific Microbacterium genus in microfiltered milk, the complex microbiota of raw milk, and cell viability in natural whey starter. The three aims addressed were complementary to understand the process dynamics in milk and related productions. The genus Microbacterium was found predominantly in fresh microfiltered milk with an ability to grow at low temperatures. In addition, a new species was discovered more present and classified as Microbacterium paulum. The chemical and microbiological profile measured by omics techniques of raw milk revealed a feeding system influence mainly affecting secondary metabolites and some significant taxonomic units, including Pseudomonas and Staphylococcus. Finally, the study of the health status of the lactic community present in a natural whey starter has allowed the discovery of a rapid method to evaluate the technological performance of the whey by replacing the culture-dependent techniques.

Le moderne tecnologie di Next Generation Sequencing sono un componente cruciale nello studio di microrganismi e comunità microbiche grazie all’enorme quantità di dati fornita in breve tempo. Con queste tecnologie è possibile identificare e caratterizzare i microrganismi utilizzando un ampio numero di tool bioinformatici che possono sostituire le classiche tecniche di tipizzazione in vitro, portando un risparmio di tempo e risorse. La genomica e la metagenomica possono essere applicate a vari campi e forniscono informazioni sia riguardo un singolo organismo, sia su intere comunità microbiche. I nostri studi sono stati concentrati su due nicchie ecologiche: matrici alimentari e microbiota intestinale umano, entrambi importanti per la salute umana. Un prima parte della tesi descrive la comparazione genomica di 12 ceppi di Leuconostoc carnosum isolati da prodotti a base di carne. Questo batterio è un noto colonizzatore di queste matrici, ricopre un ruolo nel loro deterioramento, ma alcuni ceppi presentano effetti utili alla preservazione. Abbiamo eseguito un sequenziamento whole genome per tutti i ceppi, e dopo l’assembly sono state identificate le caratteristiche genomiche, la presenza di plasmidi, di geni responsabili di antibiotico-resistenza, produzione di batteriocine, sintesi di ammine biogene e abbiamo ricostruito i loro pathway metabolici. La comparazione ha rivelato che i ceppi sono strettamente correlati e condividono la maggior parte delle caratteristiche metaboliche, evidenziando l’adattamento all’ambiente di isolamento grazie alle 23 peptidasi presenti nel genoma core. Questo studio fornisce un approfondimento genomico e metabolico su questo batterio ubiquitario nei prodotti a base di carne. Un secondo progetto della tesi è stato indirizzato a indagare la presenza delle beta-glucuronidasi (GUS) nel microbiota intestinale umano attraverso una strategia metagenomica inedita. Le GUS prodotte dai batteri del microbiota sono capaci di rimuovere le porzioni di acido glucuronico da molti composti e metaboliti, come farmaci e xenobiotici. Queste molecole vengono coniugate con l’acido glucuronico nel fegato per l’escrezione attraverso il tratto gastrointestinale, quindi l’azione enzimatica potrebbe riattivarle permettendone il riassorbimento comportando un’alterazione dell’efficacia del farmaco ed effetti negativi sulla salute. Le GUS sono organizzate in classi in base alle differenze nel loro sito catalitico. Sono stati utilizzati 60 metagenomi ottenuti con shotgun sequencing provenienti da soggetti sani divisi in coorti in base alla provenienza geografica. Da questo set di dati, è stata definita la composizione batterica ed è stata sviluppata ed impiegata una nuova strategia per indagare la distribuzione delle diverse GUS. La beta diversità calcolata con gli indici di Jaccard e Bray-Curtis è stata impiegata per determinare le distanze tra i campioni e determinare le differenze tra essi in termini di distribuzione del tipo di GUS e abbondanza dei batteri che le contengono. Poiché alle differenze strutturali dell’enzima corrisponde una diversa specificità di substrato, e considerando la proporzione delle comunità batteriche contenenti GUS, possiamo valutare che la composizione del microbiota può alterare l’escrezione di alcuni farmaci o xenobioti e determinare un’ampia variabilità interindividuale in termini di risposta al farmaco. Un’ultima parte del progetto di tesi descrive l’applicazione dell’approccio metagenomico in due diversi studi: il primo incentrato a indagare la composizione microbica di campioni fecali arricchiti per identificare specie intestinali capaci di degradare la mucina, e il secondo focalizzato sulla descrizione del microbiota di larve di Hermetia illucens allevate per consumo umano o animale.
The modern Next Generation Sequencing technologies represent a crucial component in the study of microorganisms and microbial communities thanks to the huge quantity of data they can provide in a short period of time. These technologies allow the identification and characterization of microorganisms exploiting a vast number of bioinformatic tools that can replace the standard in vitro typing techniques, resulting in savings of time and resources. Genomics and metagenomics can be applied in different fields and they can provide information on single microorganism or on entire microbial communities. We focused our studies on two ecological niches: food matrices and human gut microbiome, due to their relevance to human health. The first work of this thesis is a comparative genomic study of 12 Leuconostoc carnosum strains isolated from meat-based products. This bacterium is a known colonizer of meat-based food matrices, it plays a role in spoilage, but preservative effects have also been proposed for some strains. In our study we performed whole genome sequencing for all the strains, and after genome assembly we identified their genomic features, the presence of plasmids, and genes related to antibiotic resistance, bacteriocins production, biogenic amines synthesis. We also reconstructed their metabolic pathways. The comparison revealed that the strains are closely related and share most of the metabolic features, confirming the adaptation to the meat environment due to the presence of 23 peptidase genes in their core genome. With this study we provided a deeper insight into the genomic and metabolic features of this bacterium ubiquitous in meat products. The second project of the thesis aimed to investigate through an inedited metagenomic strategy the presence of beta-glucuronidases (GUS) in the human gut microbiome. Beta-glucuronidases (GUS) produced by gut microbiome bacteria can remove glucuronic acid moieties from a vast range of compounds and metabolites, like drugs and xenobiotics. These molecules are conjugated with glucuronic acid in the liver to be excreted in the gastrointestinal tract, so the action of GUS may reactivate them allowing the reabsorption, with unpredictable and different efficacy of drugs and negative effect on health. GUS are classified in classes by the differences in the catalytic site. 60 shotgun sequenced metagenomic samples from healthy subjects, ascribed to five geographically distinct cohorts, have been retrieved. From this dataset, bacterial composition has been defined and a novel pipeline to investigate distribution the different GUS has been developed and utilized. Beta-diversity calculated on Bray-Curtis dissimilarity index has been used to determine the distances among samples and determine the differences among samples in terms of GUS type distribution and abundance of bacteria containing GUS. Since the structural differences in the enzyme involve a different substrate specificity, and taking into account the ratio of bacterial community harbouring GUS genes, we can assess that the microbiota composition can alter the excretion of certain drugs or xenobiotics, and determine a wide interindividual variability in terms of response to drugs. In the third part of the thesis, I present metagenomic analysis carried out in two other different studies, the former aimed to investigate the microbial composition in enriched human faecal samples to identify gut mucin degraders, and the latter focused on the description of the microbiota of Hermetia illucens larvae reared for food or feed consumption.

Questo lavoro di Tesi è stato svolto presso il Laboratorio di “Marine Molecular Microbiology & Biotechnology”, dell’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero di Messina, e riguarda lo studio e la caratterizzazione della comunità microbica in sedimenti marini anossici contaminati con particolare attenzione verso lo studio delle principali vie metaboliche associate alla degradazione di composti aromatici presenti in petrolio grezzo. In particolare focalizza l’attenzione sull’implementazione di biotecnologie per il recupero/risanamento di sedimenti marini anossici attraverso la stimolazione dei processi di biodegradazione in situ. Il problema del petrolio nell’ambiente marino rimane attuale a causa dei continui incidenti che si verificano durante le operazioni di estrazione, trasporto e raffinazione del greggio. Fatta salva la necessità di intensificare gli sforzi per prevenire l’inquinamento, rimane impellente l’esigenza di innovare tecnologie d’intervento e recupero di aree marine interessate da inquinamento da idrocarburi sia pregresso che recente. L’osservazione di aree marine inquinate da petrolio ha reso nota negli anni una straordinaria capacità del mare nell’attenuare gli effetti dannosi degli idrocarburi. Ciò avviene grazie ai processi di self-cleaning operati da microrganismi specializzati nel consumo di idrocarburi come fonte di carbonio ed energia ma l’efficienza di degradazione di questi microorganismi è strettamente dipendete da diversi fattori abiotici limitanti. In particolare, nei sedimenti marini la comunità microbica idrocarburo-degradante presenta una capacità catalitica molto lenta o addirittura assente. I principali fattori limitanti sono: ossigeno, temperatura e concentrazioni adeguate di nutrienti, prevalentemente azoto, fosforo e ferro. Lo scopo di questo studio è stato quello di esplorare soluzioni biotecnologiche per superare alcuni dei fattori limitanti la bioremediation in situ. Nella prima parte del lavoro viene descritto lo studio sull’evoluzione del petrolio nell’area costiera di Gela (Sicilia) a seguito di un reale incidente di sversamento di petrolio causato dalla rottura di una condotta del Polo Petrolchimico di Gela in Giugno 2013. Sulla base delle informazioni raccolte, nella seconda parte del lavoro sono descritti due differenti trattamenti ottimizzati per il recupero di sedimenti marini anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici. Entrambi i trattamenti sono stati progettati per applicazione in situ. Il primo trattamento prevede l’applicazione della campana di biodegradazione (Brevetto PN2012A000012 B12-082IT) come sistema di confinamento e ossigenazione dei sedimenti. Tale tecnologia favorisce i naturali processi di biodegradazione del contaminante utilizzando un intervento meccanico che risospende i sedimenti ossigenandoli e rendendo disponibili i nutrienti in essi intrappolati. I risultati hanno dimostrato che nei sedimenti ossigenati veniva attivato un intenso ed efficace processo di degradazione che portava in 3 mesi l’abbattimento dell’80% della sostanza organica inquinante. Allo stesso tempo la struttura della comunità microbica si modificava significativamente mostrando come membri dominanti proprio i batteri idrocarburoclastici. Al contrario, fuori dal sistema, nei sedimenti non trattati, pur avendo selezionato batteri anaerobi coinvolti nella degradazione degli idrocarburi, il carico inquinante aveva subito il solo decremento del 15% nello stesso arco di tempo. Il secondo trattamento propone la bio-stimolazione della comunità microbica associata a sedimenti anossici contaminati da idrocarburi policiclici aromatici tramite sull’aggiunta di accettori di elettroni alternativi all’ossigeno in condizioni di anossia. I risultati ottenuti hanno mostrato la stimolazione e accelerazione del potenziale di biodegradazione nella comunità microbica anaerobica indigena attraverso la creazione di condizioni energeticamente favorevoli in sedimenti marini (aggiunta di ferro ferrico o fumarato) paragonati alla solfato riduzione che è nota per avere un basso potenziale.