The mutational fitness landscape of TEM-1 Beta-lactamase is modulated by intracellular processes

Abstract

La résistance aux antimicrobiens (RAM) est considérée comme une menace mondiale car elle peut entraîner de vastes mortalités encore plus élevées que le cancer dans un avenir proche en raison d'infections incurables dans les procédures médicales, telles que les chirurgies et les greffes d'organes. La quantification du succès évolutif potentiel des gènes de résistance aux antibiotiques (ARG) peut résoudre le problème de l'AMR, par la mesure du paysage de fitness mutationnel de l'ARG en présence de médicament (niveau de résistance) et son absence (coût de fitness). De plus, des mécanismes cellulaires spéciaux, tels que la modification des cibles antibiotiques pour réduire leurs affinités avec les antibiotiques ou la réduction des concentrations de médicaments dans les cellules par l'expression de pompes à efflux, peuvent moduler l'ampleur du niveau de résistance et du coût de la condition physique. Nous aborderons ce problème dans deux antibiotiques β-lactamines couramment utilisés, l'ampicilline et le céfotaxime. Les antibiotiques β-lactamines inhibent une transpeptidase appelée protéine de liaison à la pénicilline (PBP), qui est responsable de la synthèse de la couche de peptidoglycane. C'est parce que les antibiotiques ont des structures similaires au substrat de PBP et peuvent entrer en concurrence avec lui dans la cellule du substrat de PBP. Un mécanisme de résistance important est l'hydrolyse de l'ampicilline et du céfotaxime par la β-lactamase TEM1. Le médicament hydrolysé ne peut pas se lier et inhibera la PBP. Cependant, l'effet quantitatif des processus cellulaires sur le paysage de remise en forme de TEM1 n'est pas clair et l'équilibre entre le niveau de résistance et la remise en forme dans TEM-1 n'est pas entièrement connu. On ne sait pas non plus comment le paysage est affecté par la présence de PBP homologues dans la cellule ou par la fonction de pompe à efflux (gène AcrAB-TolC). Dans ce mémoire de master, le rôle des mécanismes de modulation dans les cellules qui ont des effets sur la résistance aux β-lactamines sera clarifié. Dans une première partie, un recueil d'informations issues de différentes études sera fourni. Puis dans d'autres chapitres, la méthodologie, l'analyse des résultats, la discussion et la conclusion seront décrites.

Antimicrobial resistance (AMR) is considered a global threat that could cause huge mortalities even higher than cancer in the near future due to untreatable infections in medical procedures, such as surgeries and organ transplants. Quantifying the potential evolutionary success of antibiotic resistance genes (ARG) can help solve the problem of AMR, by measuring the mutational fitness landscape of the ARG in the presence (resistance level) and absence (fitness cost) of antibiotic drugs. In addition, special cellular mechanisms, such as modification of antibiotic targets to lower their affinities to antibiotics or reduction of drug concentrations in cells by the expression of efflux pumps, can modulate the magnitude of the resistance level and fitness cost. We will address this problem for two commonly used β-lactam antibiotics, Ampicillin and Cefotaxime. β-lactam antibiotics inhibit a transpeptidase named Penicillin Binding Protein (PBP), which is responsible for the synthesis of the peptidoglycan layer. That is because the antibiotics have similar structures to the substrate of PBP and can compete with the substrate within the cell. An important resistance mechanism is the hydrolysis of Ampicillin and Cefotaxime by the TEM1 β-lactamase. The hydrolyzed drug cannot bind to or inhibit PBP. However, the quantitative effect of cellular processes on TEM1’s fitness landscape is not clear and the balance between the resistance level and fitness in TEM-1 is not fully known. It is also unclear how the landscape is affected by the presence of homologous PBPs in the cell or by the function of the efflux pump (AcrAB-TolC gene). In this master thesis, the role of modulating mechanisms in cells that could have effects on β-lactam resistance will be investigated. In the first part, a collection of information obtained from different studies will be provided. Then in other chapters, methodology, analysis of results, discussion and conclusions will be described.