Genetische Flaschenhälse, Populationsdynamik und Evolution von Antibiotikaresistenz

• Antragsteller: Ernesto Berrios, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Evolution, Anthropologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512851323

Die Entstehung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen sind eine globale Bedrohung für die menschliche Gesundheit geworden. In den vergangenen Jahrzehnten hat dieses Phänomen verschiedene experimentelle und theoretische Studien vorangetrieben, die darauf abzielen, dessen Entstehung zu verhindern oder zu verzögern. Diese Studien konzentrieren sich gewöhnlich auf den Vergleich der Effizienz von Behandlungsstrategien unter spezifischen Bedingungen. Bislang wird der Einfluss genetischer Flaschenhälse jedoch meist nicht untersucht, obwohl bekannt ist, dass diese in vivo auftreten und evolutionäre Dynamiken beeinflussen.Genetische Flaschenhälse bezeichnen Ereignisse, die eine Populationsgröße drastisch reduzieren. Insbesondere durchlaufen Bakterienpopulationen während der Infektion einer Wirtspopulation mehrere genetische Flaschenhälse, bedingt durch die Übertragung von Erregern zwischen Wirten, das Immunsystem des Wirts oder die eingesetzte Antibiotikatherapie. Trotz der Relevanz von Flaschenhalseffekten für die Evolution von Antibiotikaresistenzen wurde deren Zusammenwirken mit infektionsspezifischen Merkmalen in der Literatur weitgehend ignoriert. Dieses Forschungsvorhaben wird dazu beitragen diese gegenwärtige, entscheidende Wissenslücke zu schließen. Um dies zu erreichen, werde ich zunächst ein mathematisches Modell zur Auswertung der experimentellen Daten meiner zukünftigen Arbeitsgruppe, der Schulenburg Arbeitsgruppe, aufstellen (Ziel 1) und dieses anschließend erweitern, um ein allgemeines Verständnis des Einflusses genetischer Flaschenhälse auf die Resistenzentwicklung zu erlangen, welches sich auch auf klinische Bedingungen anwenden lässt (Ziel 2 und 3). Dementsprechend wird mein Projekt die folgenden drei Zielsetzungen adressieren:Ziel 1: Untersuchung des Zusammenwirkens von Flaschenhalsgröße und Antibiotika-induzierter Selektion. Hier werde ich das mathematische Modell mit Hilfe der zur Verfügung stehenden experimentellen Daten der Schulenburg Arbeitsgruppe verfeinern, um zu untersuchen wie genau Flaschenhalseffekte die Dynamik der Resistenzentwicklung beeinflussen.Ziel 2: Beurteilung der kombinierten Wirkung periodischer Flaschenhalsereignisse und intraspezifischer Ressourcenkonkurrenz auf multiresistente Mutanten. Ich werde untersuchen, wie die Resistenzevolution von homogenem oder heterogenem Wettbewerb beeinflusst wird. Ich werde ferner den Effekt einer Berücksichtigung der Stochastizität von Populationswachstum und Flaschenhalseffekten erforschen.Ziel 3: Erforschen, wie zufällig auftretende genetische Flaschenhälse die Evolution von Antibiotikaresistenzen bestimmen. Ich werde untersuchen, wie die Evolution von Antibiotikaresistenzen von der Kopplung des Timings der Flaschenhalsereignisse an die Populationsgröße beeinflusst wird und werde bestimmen, wie diese die Verbreitung neuer Infektionen in Wirtspopulationen beeinflussen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle