Transport-mediated antimicrobial interactions and resistance mechanism in Escherichia coli

Abstract

Esta tesis investiga los mecanismos de resistencia a antibióticos y la interacción entre antibióticos y toxinas en Escherichia coli, enfocándose en el paper del canal de membrana TolC en la expulsión de antibióticos e importación de toxinas. Mediante análisis de las dinámicas de crecimiento, secuenciación genómica, modelado matemático y microscopía de fluorescencia, exploramos la especificidad de TolC como mecanismo de transporte de diversos antibióticos y toxinas, identificando compuestos que usan dicho sistema de forma exclusiva, y estudiando las interacciones que resultan de la competición entre dichos compuestos por este canal de transporte. Entre los hallazgos clave de esta Tesis podemos destacar: (1) la diversidad en la dependencia de mecanismos de exportación por parte de distintos antibióticos; (2) la heterogeneidad en la respuesta de E. coli a la colicina E1, debida en parte a a aparición de mutaciones asociadas a canales de transporte y a regulación metabólica; (3) los efectos sinérgicos entre la colicina E1 y la mitomicina C resultantes de la competición entre ambas toxinas por el uso del canal TolC; y (4) la existencia de patrones complejos de resistencia cruzada y sensibilidad colateral en variantes resistentes a la colicina E1. Estos resultados revelan la adaptabilidad bacteriana al estrés por toxinas, y contribuyen a identificar interacciones inesperadas entre procesos celulares que contribuyen a la resistencia bacteriana. Nuestro trabajo contribuye por tanto a comprender las respuestas al estrés bacteriano, potencialmente informando nuevos enfoques terapéuticos contra infecciones resistentes a antibióticos.

This thesis investigates antibiotic resistance mechanisms and the interactions between antibiotics and toxins in Escherichia coli, focusing on the TolC outer membrane channel’s role in antibiotic efflux and toxin import. Using growth dynamics analysis, whole genome sequencing, mathematical modeling, and fluorescence microscopy, we explored the specificity of TolC as a transport mechanism for a variety of antibiotics and toxins, dentified compounds that use the system exclusively, and studied the interactions between them that result from their competition for that transport channel. Key findings include: (1) varied efflux dependencies for different antibiotics; (2) heterogeneous population responses to colicin E1, with resistance conferred by mutations in import and metabolic genes; (3) synergistic effects between colicin E1 and mitomycin C due to TolC channel competition; and (4) complex cross-resistance and collateral sensitivity patterns in colicin-resistant variants. These results reveal the intricate adaptability of bacteria to antimicrobial stresses and identify unexpected interactions between cellular systems in conferring resistance. Our work contributes to understanding bacterial stress responses and adaptation mechanisms, potentially informing novel therapeutic approaches against antibiotic-resistant infections.