Formation of Persister Cells and Metabolic Response to Sub-MIC Concentrations of Antibiotics in Escherichia coli
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2782630Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Antibiotikaresistente bakterier har blitt et økende problem i behandling av flere ulike sykdommer, men mange antibiotikabehandlinger mislykkes også selv ved fravær av resistente bakterier. Bakterier kan overleve høye konsentrasjoner av antibiotika gjennom resistens, men også grunnet toleranse og persistens. Persistere defineres som en underpopulasjon av celler som kan overleve behandling av høye antibiotikakonsentrasjoner grunnet redusert vekst og metabolisme. Persistens er også en ikke-arvelig fenotype, noe som resulterer i en ny populasjon med mottakelige celler og en underpopulasjon av persistente celler ved rekultivering. Sub-MIC konsentrasjoner av antibiotika defineres som konsentrasjoner som tillater mottakelige celler å fortsette veksten, men som kan redusere vekstraten sammenlignet med ikke-behandlede celler. Denne veksten, i lave konsentrasjoner av antibiotika, er et viktig aspekt ved resistens ettersom lave konsentrasjoner finnes i mange naturlige miljøer, og har vist seg å selektere resistente bakterier. Den eksakte mekanismen for dannelse av persistere og resistente celler er ikke fullstendig kjent. Derfor er det nødvendig med ytterligere studier angående persisterdannelse og effekt av sub-MIC konsentrasjoner av antibiotika.
I denne oppgaven ble dannelsen av persistere studert for kulturer forhåndsdyrket til ulike vekstfaser og behandlet med forskjellige typer antibiotika i M9 medium med og uten nitrogen. I tillegg ble effekten av relA og rpoS knock-out mutanter på persisterfraksjon studert, for å gi økt innsikt i rollen til stringent- og generell stress respons i persisterdannelse. Metabolomet av ubehandlede og behandlede celler ble studert som en funksjon av tid for forskjellige sub-MIC konsentrasjoner av ciprofloxacin, for å studere den umiddelbare effekten av lave konsentrasjoner av antibiotika.
Denne oppgaven bidrar til økt innsikt i de underliggende biologiske mekanismene for persisterdannelse i E. coli, og viser at dannelse av persistere avhenger av vekstmedium, antibiotikatype, samt at rollen til RelA og RpoS i persisterdannelse kan avhenge av dyrkningsforhold. Studien viser også endringer i metabolomet som en funksjon av tid og ciprofloxacin-konsentrasjon. Basert på resultatene av denne studien, ble det konkludert med at pentosefosfat reaksjonssporet, nukleotidbiosyntese og fermentering kan være metabolske spor av interesse for videre studier. Resistance against antibiotics has become an increasing problem in treating various number of diseases, but many infectious diseases are often untreatable, even in the absence of antibiotic resistant cells. Bacteria can survive antibiotic treatments through resistance, but also through tolerance and persistence. Persisters are defined as a subpopulation of cells that can survive treatment with elevated antibiotic concentrations due to decreased growth and metabolism. In addition, the persistence is a non-heritable phenotype, thus resulting in a population of both susceptible cells and a subpopulation of persisters upon recultivation. Sub-MIC concentrations of antibiotics are concentrations that allow susceptible strains to continue growth, but which sometimes reduces the growth rate compared to nontreated cells. This continuation of growth in the presence of antibiotics, is a crucial aspect of the antibiotic resistance crisis as slow concentrations are found in many natural environments and have shown to trigger the rate of development and select for resistance. However, the exact underlying mechanism of formation of resistant and persister cells remains elusive. Additional studies regarding the formation of persister cells and the effects of sub-MIC concentrations of antibiotics are thus very much needed.
In this thesis, formation of persister cells was studied for cultures pre-grown to different growth phases, resuspended in growth arresting or growth allowing mediuam treated with different types of antibiotics. In addition, the effect of relA and rpoS knockout mutants on persister fraction was studied in order to increase insight in the role of the stringent- and general stress response in persister formation. In order to study the immediate effect of small concentrations of antibiotics on metabolism, the metabolome of untreated and treated cells was studied as a function of time for various sub-MIC concentrations of ciprofloxacin.
This thesis contributes to increased insight into the underlying biological mechanisms of persister formation in E. coli, showing that formation of persisters depends on growth medium, antibiotic type and that the role of RelA and RpoS in persister formation might depend on cultivation conditions. In addition, this study showed a metabolic dependency on ciprofloxacin concentration and duration of treatment. Based on the results of this study, it is concluded that the pentose phosphate pathway, nucleotide biosynthesis and fermentation might be metabolic pathways of interest for further studies.