Transcriptomic and Metabolomic Analysis of the Escherichia coli Stress Response to Antibiotics With Different Modes of Action

Abstract

Antibiotikaresistens er en eksistensiell trussel mot menneskeheten. Kampen mot antimikrobiell resistens krever både utvikling av nye behandlinger og forbedring av eksisterende behandlinger for å gjøre bakterier mer sårbare mot antibiotika og for å redusere utvikling av resistens. Med det som overordnete mål forsøkte dette masterprosjektet å lete etter potensielle angrepsvinkler gjennom å analysere og sammenligne Escherichia colis stress respons etter behandling med antibiotikaer med ulike virkemåter. Eschericia coli-kulturer ble grodd i bioreaktorer, behandlet med to sub-letale doser av antibiotikaene Ciprofloxacin og Betatide, og prøver ble tatt på fire tidspunkt i løpet av en tre timers periode etter behandling. Prøvene ble brukt til et bredt utvalg av analyser: Metabolomisk analyse, transkriptomisk analyse, i tillegg til en rekke celleviabilitets-analyser. Resultatene indikerte at Escherichia colis responser til Ciprofloxacin og Betatide hovedsaklig var forskjellige, men med noen likhetstrekk. Likheter mellom responsene inkluderte reduksjon av aminosyrekonsentrasjoner og økte nivåer av reaktive oksygenmetabolitter. Ulikheter mellom responsene var responstid og varighet av effektene; dose-responstrendene; effekt på morfologi; effekt på antall levedyktige celler og det totale antallet celler; effektene på transkriptomet. Escherichia colis respons til Ciprofloxacin-behandling indikerte av bakteriene reagerte på DNA-skade. Denne responsen korrelerte godt med Ciprofloxacins antatte virkemåte. Nøyaktig hvilken skade de Betatide-behandlete bakteriene reagerte på var mer uklart. Flere potensiale mål for å øke bakteriers sårbarhet til antibiotika og for å redusere utvikling av resistens ble indikert av resultatene: SOS-responsen; aminosyre-syntese; biofilmdannelse; filamentering etter Ciprofloxacin-behandling. Hypoteser for funksjonen av enkelte ukarakteriserte gener ble dannet fra transkriptom-analysen. Effektene av Betatide kan være nyttige for å senke Ciprofloxacins mutagenisitet, en av Ciprofloxacins store svakheter og en årsak til økt utvikling av antibiotikaresistens. I sin helhet styrket resultatene forståelsen av Ciprofloxacin, Betatide og Escherichia colis stressrespons til antibiotikabehandling, identifiserte likheter og forskjeller i stressresponsene, og indikerte noen angrepsvinkler for å øke bakteriers sårbarhet til antibiotika og for å redusere utvikling av resistens.

The looming threat of antimicrobial resistance requires development of novel treatments and improving ex- isting treatments to increase bacterial vulnerability to antibiotics and to reduce resistance development. To look for potential targets for these purposes, this project aimed to analyse and compare the Escherichia coli stress response after exposure to antibiotics with different modes of action. Escherichia coli cultures were grown in bioreactors, treated with two sub-lethal dosages of the antibiotics Ciprofloxacin and Betatide, and sampled at four time points in the span of three hours after treatment. The samples were used for a wide range of assays: metabolomic analysis, transcriptome analysis, as well as several cell viability assays. The results indicated that the Escherichia coli response to Betatide and Ciprofloxacin differed considerably, albeit with some commonalities. Commonalities were reducing amino acid concentrations and increasing production of reactive oxygen species. Differences were response time and duration of effects; dose-response trends; effects on morphology; effects on total and viable cell count; and effects on the transcriptome. The response indicated the Ciprofloxacin-treated bacteria were responding to DNA damage- which correlated with Ciprofloxacin’s known mode of action. What damage specifically the Betatide-treated bacteria were responding to was less clear. Several potential targets for increasing bacterial vulnerability to antibiotics and reducing resistance development were indicated: The SOS response; amino acid synthesis; biofilm formation; and the filamentation following Ciprofloxacin treatment. Hypothesises for the potential functions of some uncharacterized genes were also generated from the transcriptomic assay. There are also indications that the effects of Betatide may be beneficial in alleviating Ciprofloxacin’s mutagenicity, one of it’s key weak- nesses and a source of resistance development. As a whole, the results strengthened the understanding of Ciprofloxacin, Betatide and the E.coli antibiotic stress response, identified commonalities and differences in the responses, and indicated targets for increasing bacterial antibiotic vulnerability and reducing resistance development.