Factors influencing horizontal gene transfer in Escherichia coli: a case study using strain CL218

Antimicrobial resistance (AMR) and the spread of antibiotic resistance genes (ARGs) through horizontal gene transfer (HGT), particularly via bacterial conjugation, represent a global threat. It is well established that this process can be modulated by chemical and environmental factors. This study investigated conjugation efficiency and plasmid transfer under the combined influence of temperature, ibuprofen (IBU), and dimethyl sulfoxide (DMSO), who have been selected due to their induced cellular mechanisms potentially influencing plasmid transfer. All was done using two strains of Escherichia coli: CL218 (donor) and J53 (recipient). In detail, CL218 E. coli carries IncN and IncF plasmids, both encoding specific ARGs. Based on the Design of Experiments (DoE) methodology, a full factorial experimental design was employed, testing each factor at two levels (temperature: 28 °C and 40 °C; IBU: 6.25 and 50.0 mg/l; DMSO: 0% and 10% v/v). The response variable was the variation in mean conjugation efficiency (∆Eff), analyzed through multiple linear regression and non-parametric bootstrap techniques. The results show that temperature has a significantly positive effect on transfer efficiency. DMSO exerts a favorable and statistically significant influence while IBU exhibits an overall negative effect. The IBU–DMSO interaction suggests a moderate synergistic effect. IncF transfer is extremely rare, while IncN transfer happens consistently, underlining the particular concern of the related ARGs dissemination. The study highlights the complex dynamics between an environmental factor (temperature) and multiple chemical stressors (IBU and DMSO) in shaping the dissemination of ARGs.

La resistenza antimicrobica (AMR) e la diffusione dei geni di resistenza agli antibiotici (ARGs) attraverso il trasferimento genico orizzontale (TGO), in particolare tramite la coniugazione batterica, rappresentano una minaccia globale. È ben noto che questo processo può essere modulato da fattori chimici e ambientali. Questo studio ha investigato l’efficienza di coniugazione e il trasferimento plasmidico sotto l’influenza combinata di temperatura, ibuprofene (IBU) e dimetilsolfossido (DMSO), selezionati per i meccanismi cellulari indotti che possono potenzialmente influenzare il trasferimento plasmidico. Tutto è stato condotto utilizzando due ceppi di Escherichia coli: CL218 (donatore) e J53 (ricevente). In dettaglio, E. coli CL218 possiede plasmidi IncN e IncF, entrambi associati a specifici ARGs. Sulla base della metodologia del Design of Experiments (DoE), è stato impiegato un disegno sperimentale fattoriale completo, testando ciascun fattore a due livelli (temperatura: 28 °C e 40 °C; IBU: 6,25 e 50,0 mg/l; DMSO: 0% e 10% v/v). La variazione dell’efficienza media di coniugazione (∆Eff) è stata scelta come variabile di risposta e analizzata tramite regressione lineare multipla e tecniche bootsrap non parametriche. I risultati mostrano che la temperatura ha un effetto significativamente positivo sull’efficienza di trasferimento. Il DMSO esercita un’influenza favorevole e statisticamente significativa, mentre l’IBU mostra un effetto complessivamente negativo. L’interazione IBU–DMSO suggerisce un effetto sinergico moderato. Il trasferimento di IncF si verifica raramente, mentre il trasferimento di IncN avviene in maniera consistente, evidenziando la rilevante criticità legata alla disseminazione degli ARGs associati. Lo studio evidenzia le complesse dinamiche tra un fattore ambientale (temperatura) e molteplici stress chimici (IBU e DMSO) nell’influenzare la diffusione degli ARGs.