Wie Efflux die Entstehung von Antibiotikaresistenzen in räumlich-strukturierten, multizellulären Bakterienpopulationen beeinflusst

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Rosalind Allen; Dr. Frank Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503989054

Antimikrobielle Resistenz (AMR) ist weltweit eine Bedrohung für die öffentliche Gesundheit. AMR ist eine multizelluläre Funktion, die in Bakterienpopulationen durch Evolution entsteht; sie ist eng mit der Heterogenität einzelner Zellen und den Interaktionen zwischen diesen Zellen innerhalb der komplexen, räumlichen Struktur einer Infektion verbunden. Das hier beantragte Projekt konzentriert sich auf das Zusammenspiel zweier Schlüsselfaktoren, die die Entstehung von AMR beeinflussen: die Fähigkeit von Bakterien, antimikrobielle Substanzen über Effluxpumpen aus der Zelle zu transportieren und ihrer Fähigkeit in Biofilmen zu wachsen. Beide Faktoren haben einen großen Einfluss darauf, wie AMR evolvieren kann. Unser Ziel ist es, ein Vorhersagemodell für den Einfluss von Efflux auf die Evolution von AMR innerhalb räumlich-strukturierter, multizellulärer Bakterienpopulationen zu entwickeln. In der ersten Förderperiode haben wir mathematische Modelle für die Auswirkungen von Efflux-vermittelten Zell-Zell-Interaktionen in räumlich-strukturierten Bakterienpopulationen entwickelt. Zudem haben wir gezeigt, wie in E. coli die Morphologie von Biofilmen durch Efflux beeinflusst wird. Weiterhin haben wir die Auswirkungen von Efflux-vermittelten Interaktionen in gemischten Kolonien von Effluxern und Nicht-Effluxern verfolgt und ungewöhnliche räumliche Muster identifiziert, die mit der Entwicklung von ausgeprägter Resistenz in Kolonien von Efflux-überexprimierenden Stämmen verbunden sind. In einem Übersichtsartikel haben wir diskutiert, wie die Entstehung von AMR durch das Zusammenspiel zwischen Efflux und der Biofilmumgebung gefördert und gestaltet wird. Aufbauend auf diesen Vorarbeiten stellen wir die Hypothese auf, dass sich AMR in Biofilmen in zwei Stufen entwickelt: Zuerst wird die Entstehung von wenig-resistenten Efflux-Überexpressionsmutanten durch die Biofilmumwelt begünstigt; danach beschleunigt die Kombination von Efflux-Aktivität und Biofilmumwelt die Entstehung zusätzlicher Mutationen, die dann eine ausgeprägte Resistenz verleihen. In der nächsten Förderperiode wollen wir Biofilme bestehend aus E. coli-Kolonien in Kombination mit Individuen-basierten Computermodellen verwenden, um diese Hypothese zu untersuchen. Wir wollen zunächst feststellen, ob und durch welche Mechanismen die Biofilmumwelt die Entstehung von Mutanten mit hoher Efflux-Aktivität im Vergleich zur Flüssigkultur begünstigt. Anschließend werden wir untersuchen, wie Efflux das Potenzial für eine weitere Resistenzevolution hin zu ausgeprägter Resistenz in Biofilmen verändert. Schließlich werden wir experimentell und in silico die Entwicklung von ausgeprägter Resistenz innerhalb von Koloniebiofilmen durch Efflux-Hochregulierung verfolgen. Unser Projekt wird die erste quantitative, integrierte Analyse davon liefern, wie das Zusammenspiel aus Biofilmwachstum und Efflux zur Emergenz von ausgeprägter Resistenz in multizellulären Bakterienpopulationen führt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2389: Emergente Funktionen der bakteriellen Multizellularität