 |
Fast evolution of resistance in bacteria in the presence of antibiotic gradients
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
124889 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Nagy, Krisztina |
| Title in Hungarian |
Baktériumok ellenállóképességének gyors evolúciója antibiotikum gradiensek jelenlétében |
| Title in English |
Fast evolution of resistance in bacteria in the presence of antibiotic gradients |
| Keywords in Hungarian |
antibiotikum, rezisztencia, evolúció, kémiai gradiens, mikrofluidika |
| Keywords in English |
antibiotics, resistance, evolution, chemical gradient, microfluidics |
| Discipline |
| Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Biophysics |
|
| Panel |
Immunity, Cancer and Microbiology |
| Department or equivalent |
Institute of Biophysics (HUN-REN Biological Research Centre Szeged) |
| Participants |
Galajda, Péter
|
| Starting date |
2017-10-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.405 |
| FTE (full time equivalent) |
2.80 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A baktériumok antibiotikumokkal szembeni ellenállóképességének gyors változása komoly problémát jelent a társadalom számára, ezért különösen fontos azoknak a tényezőknek a feltérképezése, melyek hozzájárulhatnak vagy elősegíthetik ezt a folyamatot. Kutatásaink során az antibiotikum gradiensek szerepét vizsgáljuk az ellenállóképesség kialakulására a mikrofluidika eszközeivel.
Előzetes kísérleteink arra utalnak, hogy bizonyos antibiotikumok (ampicillin) lineáris koncentráció gradiense hatással van a baktériumok (E. coli) térbeli eloszlására és elősegítheti rezisztens populációk gyors megjelenését is. Ez a megfigyelésünk képezi az alapját egy módszeresen megtervezett kísérletsorozatnak, mely során különböző hatásmechanizmusú antibiotikumok koncentráció gradiensének hatását fogjuk vizsgálni E. coli baktériumokra. A gyors evolúciós változások megértése érdekében meghatározzuk azokat a fizikai-kémiai paramétereket, melyek valamilyen módon hozzájárulhatnak a gradiensekben lezajló adaptációs/evolúciós folyamatokhoz. Kísérleteinkhez mikroszkópiát, nagyfelbontású képalkotást, mozgás/kemotaxis vizsgálatokat végzünk sejt és populáció szinten. Vizsgáljuk a sejtek feno- és genotípusában bekövetkező változásokat is. Összehasonlítjuk a gradiens jelenlétében, illetve annak hiányában (homogén környezet) kapott eredményeket. Kísérleteink alapján pontosabb képet kaphatunk arról, hogy az antibiotikumok heterogén eloszlása milyen hatással van a baktériumok eloszlására, mozgékonyságára és az antibiotikum rezisztencia kialakulására, illetve segítenek az adaptációs és evolúciós folyamatok kölcsönhatásának részletesebb megértésében is.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az utóbbi időben egyes kutatók hangsúlyozzák a környezeti heterogenitás (kémiai gradiensek) és a bakteriális mozgás fontosságát az antibiotikum rezisztencia kialakulásában. A koncepció jelentősége ellenére kevés elméleti és kísérleti publikáció található a témában, és ezek nem nyújtanak átfogó magyarázatot az antibiotikum rezisztencia heterogén körülmények közötti gyors megjelenésére és a környezet komplexitásának szerepére az evolúciós folyamatokban.
A projekt során mikrofluidikai módszerekkel alakítunk ki heterogén környezeti feltételeket E. coli baktériumok számára, és vizsgáljuk az antibiotikum rezisztencia kialakulását. A következő kérdésekre keressük a válaszokat:
-Van-e az antibiotikumoknak kemoeffektor hatása? Hogyan mozognak, és milyen térbeli eloszlást alakítanak ki a baktériumok antibiotikum gradiensben?
-Hatással van-e az antibiotikum gradiens jelenléte a rezisztencia evolúciójára? Felgyorsítja-e az evolúciós folyamatokat? Ha igen, hogyan befolyásolják ezt különböző fizikai-kémiai paraméterek?
-Lehet a kemotaxisnak szerepe a rezisztencia kialakulásában?
-Milyen genetikai változások vezetnek rezisztenciához antibiotikum gradiensben?
-Milyen fenotípus jellemzőket (morfológiai, szerkezeti és biokémiai) azonosíthatunk az evolvált baktériumtörzsek esetén?
-Hogyan viszonyulnak ezek a homogén környezetben esetlegesen fellépő változásokhoz?
A fenti kérdésekre adott válaszok hozzásegítenek az antibiotikum rezisztencia gyors evolúciójával kapcsolatos folyamatok megértéséhez, az egészségügy újabb rezisztens baktériumokkal szembeni szüntelen harcának sikeréhez, illetve a természetes körülmények közt történő evolúció általános törvényszerűségeinek megértéséhez.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Gyógyászati jelentősége miatt igen fontos az antimikrobiális szerek baktériumokra gyakorolt hatásának vizsgálata. Intenzív molekuláris és genetikai kutatások folynak az antibiotikumokkal szembeni ellenállóképesség evolúciójának részletes megismerésére. A jelenség megértéséhez a mikrobiológiai és molekuláris biológiai kísérletek mellett, olyan tanulmányokra is szükség van, ahol a sejteket komplex környezetükben vizsgáljuk. A baktériumok természetes élőhelyei időbeli és térbeli heterogenitást mutatnak. Ennek ellenére a rezisztenciával kapcsolatos kutatások homogén baktériumkultúrákon (rázott lombik), illetve agar lemezeken folynak, ahol a pontos környezeti feltételek kevéssé kontrollálhatók, és azokat a baktériumkolóniák és a diffúziós folyamatok módosítják. Ezekben a kísérletekben a környezet komplexitásának, szerkezetének, heterogenitásának szerepe nem tanulmányozható. Egyes elméletek szerint kémiai koncentráció gradiensek (különösen a gyógyszerhatóanyag gradiensek) felgyorsíthatják az antibiotikumokra rezisztens populációk megjelenését. Ennek óriási gyógyászati jelentősége lehet, mégis a gradiensek pontos szerepére vonatkozó kísérletek meglehetősen hiányosak az irodalomban. A téma kutatása nem csak a rezisztencia kialakulásának feltárását hozná, hanem általánosságban a komplex környezetben végbemenő evolúciós folyamatok megértését is.
A közelmúltban kidolgoztunk egy új típusú mikrofluidikai kísérleti platformot, mely alkalmas a természetes élőhelyekhez hasonló heterogén kémiai környezet kialakítására kontrollált módon. Ezt fogjuk felhasználni arra, hogy antibiotikum koncentráció gradiensek baktériumpopulációkra való rövid- és hosszútávú hatásait tanulmányozzuk.
Kutatásaink során különböző hatásmechanizmusú antibiotikumok hatását vizsgáljuk, és azonosítjuk a gradiens illetve a sejtmozgás szerepét az antibiotikum rezisztencia kialakulásában. A kutatás során különböző gradiens jellemzőkkel, különböző időskálákon végzünk kísérleteket, és genetikai, valamint fenotípus analízist is végzünk a kísérleti eszközből kinyert, esetleges evolúciós folyamatokon áteső baktériumokon. Az így kapott eredményeink hozzájárulhatnak gradiensek jelenlétében lezajló az adaptációs és evolúciós folyamatok részletesebb megértéséhez.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az antibiotikumokkal szembeni ellállóképesség (rezisztencia) nagymértékű terjedése komoly kihívást jelent az egészségügy számára. A mikroorganizmusok genetikai változások, mutációk segítségével képesek alkalmazkodni és túlélni számukra kedvezőtlen körülményeket. Ezt az általában lassan lezajló folyamatot nagymértékben felgyorsítja a különféle antimikrobiális szereknek az emberiség által növekvő, sok esetben indokolatlan használata. Egyes tanulmányok szerint ebben a folyamatban fontos szerepet játszik, hogy az antibiotikumok eloszlása nem egyenletes a baktériumsejtek környezetében. Az emberi szervezet esetében például az egyes szervekben, szövetekben különböző koncentrációkban halmozódnak fel gyógyszerek, mely kémiai gradiensek kialakulásához vezethet. Ezek szerepének megértése az antibiotikum rezisztencia gyors evolúciójában, nagymértékben hozzájárulhat ahhoz, hatásosan tudjunk küzdeni az újabb és újabb ellenálló baktérium törzsekkel szemben.
Laboratóriumunkban a mikrotechnológia segítségével modellezzük a természetes élőhelyek összetettségét. Apró csatornákban állítunk elő jól meghatározott térbeli kémiai mintázatot különféle típusú antibiotikumokból, és vizsgáljuk a baktériumok úszását, növekedését és ellenállóképességét ebben a rendszerben. Meghatározzuk azokat a körülményeket, melyek elősegíthetik, vagy esetleg visszatarthatják az ellenálló baktériumtörzsek megjelenését.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The ability of bacteria to rapidly evolve efficient mechanisms against antibiotic treatments is a crucial problem for society. Therefore, it is upmost important to explore the conditions that contribute to or facilitate this process. In this project we are going to perform a detailed microfluidic study on the role of antibiotic gradients in the evolution of bacterial resistance.
Our preliminary experiments suggest that linear chemical concentration gradients of certain antibiotics (ampicillin) induce an uneven spatial distribution of bacteria (E. coli) and may accelerate the emergence of resistant populations. Based on this observation we will carry out a systematic set of experiments using antibiotics with different mode of actions and determine the key physicochemical parameters that may have an impact on the adaptation/evolution of resistant bacterial populations in drug concentration gradients. In order to understand the mechanisms involved we are going to use different methods, e.g. high resolution imaging, motility/chemotaxis experiments, single cell morphology studies and genome sequencing. We will compare the results to those collected in the absence of chemical gradients. These experiments will help us reveal how such gradients affect motility, spatial distribution, and antibiotic tolerance of bacteria. Based on our results we will get a well-founded concept about the interplay between adaptation and evolution, and the mechanisms behind fast evolution of resistance.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Recently, some research groups came up with the idea about the importance of spatial heterogeneity (chemical gradients) and motility in the evolution of bacterial antibiotic resistance. Still, this is mainly a theoretical concept with rather sparse experimental evidences. We still lack the basic understanding not only of the evolution of antibiotic resistance, but, in more general, the exact effect of the spatiotemporal complexity of the environment on the evolutionary process.
We will use novel microfluidic methods to create heterogeneous environment for E. coli bacteria to study the evolution of antibiotic resistance. We will answer the following specific questions.
-Do antibiotics act as chemoeffectors for bacteria? How do bacteria move and distribute in a concentration gradient of antibiotics?
-Does the presence of antibiotic gradients affect the evolution of resistance and lead to a fast evolution? If so, how do various physicochemical parameters contribute to this effect?
-May chemotaxis have a role in the evolution of resistance?
-What are the genetic changes that lead to an increased resistance of bacteria evolved in antibiotic gradients?
-What kind of phenotypic (morphological, structural and biochemical) changes can we identify in bacteria evolved in antibiotic gradients?
-How do these genetic and phenotypic changes compare to those observed for bacteria cultured in homogeneous environments?
The answers to these questions will help us better understanding the mechanisms behind the emergence of resistant bacterial populations that is of utmost importance, partly for its medical relevance but also to deepen our knowledge of basic evolutionary mechanisms.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Studying the effect of antibiotics on bacteria is of upmost importance because of its huge medical relevance. Although research on this topic is intense, and a few details are known about the molecular and genetic background, a basic overall understanding is still lacking. For this, one should not focus only on intracellular processes but cells must be considered in context of their complex environment. Naturally, bacteria live in a heterogeneous environment. Despite this, almost all research on antibiotic resistance is done using homogeneous cultures in shaken flasks or agar plates where spatial conditions (e.g. nutrient distribution) are poorly controlled and modified by the bacterial colonies. Therefore, in these experiments the role of the spatiotemporal complexity of the environment is neglected.
According to some experimental and theoretical works these heterogeneous environments (especially drug gradients) can greatly accelerate the evolution of resistance in bacterial populations. Such fast evolution may have a great impact in medicine. However, well controlled and systematic studies are still very much needed to reveal the exact role of concentration gradients in this process. This would not only help us to find the mechanisms of the evolution of antibiotic resistance, but also contributes to the basic understanding of how evolution works in complex environments.
Recently, we have developed a novel microfluidic platform that is suitable to create controlled heterogeneous environments. We will use it to study the short and long term effect of antibiotic concentration gradients on microbial populations. We will test a wide range of antibiotics of different mode of action (targeting the cell-wall, cell membrane, ribosomes, etc...), and we will identify the role of gradients and cell motility in the fast evolution of resistance. Our study will involve various experimental timescales and gradient steepness, as well as genetic and phenotypic characterization of evolved cells extracted from the microfluidic device. Therefore, we can explore how adaptation and evolution emerge and coexist or follow each other during the experiments.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The worldwide spreading of bacteria resistant to antibiotic treatments brings a real challenge to today’s therapeutics. Microbes evolve mechanisms of resistance in natural environments over time, usually through genetic changes. However, the misuse and overuse of antimicrobials are accelerating this process. In the human body drug levels can vary substantially between different organs and tissues, that causes temporal and spatial variations in the drug concentrations. According to some recent studies this spatial heterogeneity (especially the presence of concentration gradients) may even further facilitate the emergence of resistant populations. Therefore, revealing the impact of antibiotic gradients on the fast evolution of resistance is upmost important to cope efficiently with the problem of continuously evolving resistant strains.
Our laboratory uses microtechnology to mimic the naturally complex environments, and study the short and long term effect of antibiotic concentration gradients on microbial populations. We will perform experiments to reveal how such gradients affect the motility, spatial distribution and survival of bacteria. We will determine those parameters that can enhance or interfere with the emergence of resistant populations. The results coming from these experiments would help us understanding the mechanisms behind the fast evolution of antimicrobial resistance.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| K. Nagy, Á. Ábrahám, J.E. Keymer, P. Galajda: Application of Microfluidics in Experimental Ecology: The Importance of Being Spatial, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 9: p. 496., 2018 | | Dukic Barbara: Motility and growth of bacteria in antibiotic concentration gradient, University of Szeged, Faculty of Science and Informatics, MSc diploma work, 2017 | | Dukic Barbara: Motility and growth of bacteria in antibiotic concentration gradient, University of Szeged, Faculty of Science and Informatics, MSc diploma work, 2017 | | Á. Ábrahám, K. Nagy, E. Csákvári, L. Dér, P. Galajda: Exploring phenotypic variability of bacteria using microfluidic cell traps, European Biophysical Journal, Vol. 48. Suppl. 1. P-215, 2019 (conference abstract), 2019 | | Lukács Rebeka: The development and application of microfluidic cell traps for single-cell level studies on bacteria, University of Szeged, BSc thesis, 2020 | | Zsiros Vanda: The effect of flow and nutrient supply on bacterial quorum sensing, University of Szeged, Faculty of Science and Informatics, MSc diploma work, 2017, 2017 | | K. Nagy, Á. Ábrahám, J.E. Keymer, P. Galajda: Application of Microfluidics in Experimental Ecology: The Importance of Being Spatial, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 9: p. 496., 2018 | | Fürstahl Bence: Developing microfluidc devices to study bacterial chemotaxis, University of Szeged, Faculty of Sceince and Informatics, BSc thesis, 2020 | | Krisztina Nagy: Élet egy parányi világban. Baktériumközösségek a természetben és a mikrocsipben, Természet Világa 152. 127-132., 2021 | | MT Wetherington, K Nagy, L, Dér, J Noorlag, P Galajda, JE Keymer: Variance in landscape connectivity shifts microbial population scaling, Frontiers in Microbiology 13. p831790, 2022 | | E SZéles, K Nagy, Á Ábrahám, S Kovács, A Podmaniczki, V Nagy, L Kovács, P Galajda, SZ Tóth: Microfluidic Platform designed for morphological and photosynthetic investigations of Chlamydomonas reinhardtii on a single-cell level, Cells 11. p285, 2022 | | K Nagy, B Dukic, O Hodula, Á Ábrahám, E Csákvári, L Dér, MT Wetherington, J Noorlag, JE Keymer, P Galajda: Emergence of resistant Escherichia coli mutants in microfluidic on-chip antibiotic gradients, Frontiers in Microbiology 13. p820738, 2022 | | F Bashir, S Kovács, Á Ábrahám, K Nagy, F Ayaydin, I Valkony-Kelemen, G Ferenc, P Galajda, SZ Tóth, L Sass, PB Kós, I Vass, M Szabó: Viable protoplast formation of the coral endosymbiont alga Symbiodinium spp. in a Microfluidic Platform, Lab on a Chip (DOI: 10.1039/d2lc00130f), 2022 | | MT Wethrington, K Nagy L Dér, Á Ábrahám, J Noorlag, P Galajda, JE Keymer: Ecological succession and competition-colonization trade-off in microbial communities, submitted to and under revision at BMC Biology, 2022 | | Á Ábrahám, K Nagy, L Dér, E Csákvári, I Pap, R Lukács, V Varga-Zsíros, P Galajda: Single cell level quorum sensing response of Pseudomonas aeruginosa under dynamically changing conditions, submitted, 2022 | | K Nagy, SK Valappil, S Winslow, T Phan, L Dér, J Bos, G Rákhely, P Galajda, RH Austin: Emergence of phage resistant bacteria in a microstructured environment, manuscript in preparation, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
