Stress responses to sub-lethal concentrations of Ampicillin and Kanamycin in Escherichia coli

Abstract

Anti-mikrobiell resistens (AMR) har vist seg til å være en av de mest seriøse truslene i dagens samfunn, hvor vanligvis trivielle infeksjoner utvikler seg til å bli svært vanskelig å behandle. På tross av at flere av de molekylære mekanismene for AMR i bakterier er godt kjent, hvordan de oppstår og deres sammenheng med den innledende responsen mot antibiotika krever videre utforskning. Denne studien forsøkte å gjennomføre reproduserbare kultiveringer av E. coli behandlet med sub-letale konsentrasjoner av Ampicillin og Kanamycin i bioreaktorer kombinert med målrettet metabolomikk, RNA sekvensering, samt andre supplementerende analyser for å oppnå en større forståelse av bakteriens respons til sub-letale konsentrasjoner av antibiotika, som er antydet til å ha en essensiell rolle i utviklingen av bakteriell AMR. Ved bruk av høy kvalitets kvantitative metabolomikk metoder, kunne vi sikte oss inn på metabolitter i den sentrale karbon metabolismen og tilegne oss korrekte intracellulære konsentrasjoner. Studiet satte søkelys på de 2 bakteriedrepende antibiotikaene Ampicillin og Kanamycin, og dataen viste en kompleks respons med både likheter og ulikheter, med signifikant redusering av aminosyre bestanden, som viser til en redusert metabolisk tilstand. En variert effekt på gene utrykk, hvor Ampicillin viste minimale endringer, og Kanamycin førte til signifikante endringer i gener relatert til oksidative skade og biofilm formasjon. En variert effekt på celle morfologi, hvor Ampicillin forårsaket filamentering og Kanamycin forårsaket samling som pekte til biofilm formasjon. Samt en felles økning av reaktive oksygenarter (ROS), foreslått til å være en mekanisme til felles for antibiotika som leder til celle død. Dette kan videre kan bli implementert til å finne nye antibiotika mål og nye terapeutiske strategier.

Antimicrobial resistance (AMR) is emerging as one of the most serious threats to today’s society, with otherwise trivial infections becoming severely more difficult to treat. Although some of the molecular mechanisms of AMR in bacteria are well known, the emergence of them and its correlation with the cellular response to antibiotics calls for further exploration. This study aimed to employ reproducible cultivation of Escherichia coli treated with sub-lethal concentrations of Ampicillin and Kanamycin in bioreactors combined with targeted metabolomics, RNA sequencing, and a variety of supplementary assays to acquire a greater understanding of the bacteria’s response to sub-lethal concentrations of the antibiotics, which have been thought to play a vital role in the emergence of bacterial AMR. Using a high-quality quantitative metabolomics workflow, we could narrow down the scope to metabolites in the central carbon metabolism and acquire accurate intracellular concentrations. Focusing on the two bactericidal antibiotics Ampicillin and Kanamycin, our data revealed a complex multi-level response with both commonalities and differences, with significant reduction in the amino acid pool, indicative of a reduced metabolic state. A varied effect on gene expression, where Ampicillin caused minimal changes and Kanamycin caused a significant increase in expression of genes related to oxidative damage and biofilm formation. A varied effect on cell morphology where Ampicillin caused filamentation and Kanamycin caused clustering indicative of biofilm formation. And lastly, both antibiotics were seen to cause elevation of intracellular reactive oxygen species (ROS) levels suggested as a common mechanism leading to cell death. These findings could be implemented in further research to locate new potential antibiotic targets and combinatorial therapeutic strategies.