A genômica revolucionou nossa compreensão do mundo microbiano. Da emergência e epidemiologia de patógenos à compreensão da evolução e adaptação das bactérias aos seus hospedeiros. Apesar dos enormes avanços, persistem lacunas significativas, particularmente no estudo da diversidade e evolução das bactérias residentes nos microbiomas de animais selvagens e no entendimento do surgimento de agentes patogénicos que afetam o gado em países de rendimento baixo e médio. Nesta dissertação, utilizando diferentes abordagens de genômica comparativa, estudo três espécies bacterianas: a patogênica Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) isolada de cobaia (Cavia porcellus) no Peru e Kerstersia gyiorum e Neisseria sp. isolado de preguiças-de-garganta-marrom (Bradypus variegatus) de vida livre no Brasil. Salmonella Typhimurium é o principal patógeno que infecta cobaias no Peru. Primeiro, realizo uma caracterização genômica de S. Typhimurium de cobaias em Lima-Peru descrevendo a presença de dois diferentes S. Typhimurium clusters do sequence type ST19, sendo um deles uma variante monofásica carregando o plasmídeo de virulencia pLST e geneticamente relacionado a isolados de humanos. Em segundo lugar, usando um maior conjunto de dados genômicos da América do Sul e filogenias calibradas no tempo, descrevo o surgimento de uma linhagem peruana de S. Typhimurium (linhagem B6) associada a porquinhos-da-índia e humanos. O surgimento desta linhagem altamente prevalente em porquinhos-da-índia coincide com a recente intensificação da produção de porquinhos-da-índia e exibe sinais genéticos de adaptação do hospedeiro com múltiplas mutações de perda de função em genes que codificam estruturas envolvidas na interação célula-hospedeiro e na especificidade do hospedeiro. Estes resultados destacam os riscos da produção pecuária intensiva na emergência de patógenos. A análise genômica de isolados de preguiça-de-garganta-marrom foi realizada. Primeiro, K. gyiorum exibiu variação filogenética e de conteúdo gênico estruturada de acordo com o hospedeiro. Além disso, diferenças no conteúdo de GC, tamanho do genoma, presença diferencial de elementos genéticos móveis (plasmídeos e fagos) e sistemas de defesa sugerem que as populações de K. gyiorum seguiram trajetórias evolutivas divergentes que levaram ao estabelecimento de linhagens restritas ao hospedeiro. A presença de genes com diferentes funções pode ser importante para a adaptação de K. gyiorum a diferentes nichos. Em segundo lugar, uma nova espécie de Neisseria, denominada Neisseria bradyp, é caracterizada genomicamente, o que representa a primeira espécie de Neisseria isolada de preguiça-comum. Análises filogenômicas e Avergage Nucleotide identity (ANI) do gênero Neisseria revelaram que N. bradyp é geneticamente distinto das outras 32 espécies de Neisseria. Além disso, N. bradyp exibiu conteúdo genético exclusivo e apresentou diferenças na sua estrutura capsular, o que pode desempenhar um papel significativo na colonização do hospedeiro. Os resultados deste trabalho destacam a importância dos dados genômicos e das ferramentas de bioinformática para estudar o surgimento de novas variantes patogênicas e desvendar a evolução e a adaptação das bactérias ao seu hospedeiro.

Genomics has revolutionized our understanding of the microbial world. From the surveillance and epidemiology of emerging pathogens to comprehending the evolution and adaptation of bacteria to their hosts. Despite enormous advances, significant gaps persist, particularly in the study of the diversity and evolution of bacteria residing in wildlife microbiomes and the emergence of bacterial pathogens affecting livestock in low- and middle-income countries. In the present work, using different comparative genomics approaches, I study three bacterial species: the pathogenic Salmonella Typhimurium isolated from guinea pig (Cavia porcellus) in Peru and Kerstersia gyiorum and Neisseria sp. isolated from free-living brown-throated sloths (Bradypus variegatus) in Brazil. Salmonella Typhimurium is the main pathogen infecting guinea pigs in Peru. First, I perform a genomic characterization of S. Typhimurium infecting guinea pigs in Lima-Peru describing the presence of two ST19 clusters, one of them being a monophasic variant carrying the plasmid of virulence (pLST) and genetically related to human isolates. Second, using a larger genomic data collection from South America and time-scaled phylogenetic analysis I describe the emergence of a Peruvian lineage of S. Typhimurium (B6 lineage) associated with guinea pigs and humans. The emergence of this highly prevalent lineage in Peruvian guinea pigs coincides with the recent intensification of guinea pig production and exhibits genetic signals of host adaptation with multiple loss-of-function mutations in genes encoding for structures involved in host-cell interaction and host specificity. These results highlight the risks of intensive livestock production in pathogen emergence. The genomic analysis of brown-throated sloth isolates was performed. First, K. gyiorum exhibited phylogenetic and gene content variation structured according to the host. Additionally, differences in GC content, genome size, differential presence of mobile genetic elements (plasmid and phages) and defense systems suggest that K. gyiorum populations have followed divergent evolutionary trajectories that led to the establishment of host-restricted lineages. The presence of genes with different functions may be important for the adaptation of K. gyiorum to different niches. Second, a new species of Neisseria, named Neisseria bradyp is characterized genomically, which represents the first known species associated with common sloths. Average Nucleotide Identity (ANI) and phylogenomics analyses within the Neisseria genus revealed that N. bradyp is genetically distinct from other 32 Neisseria species. Additionally, N. bradyp exhibited exclusive genetic content that is notably enriched in carbohydrate metabolism and other pathways. Furthermore, it displayed differences in its capsular structure, which may play a significant role in host colonization. The results of this work highlight the importance of genomics data and bioinformatics tools to study the emergence of novel pathogenic variants and disentangle the evolution and host adaptation of bacteria to their host.