Evolutionary trajectories of conjugative resistance plasmids and their interplay in the ecology of clinically relevant bacteria

Abstract

Mikrobilääkeresistenssi (AMR) on noussut merkittäväksi globaaliksi ongelmaksi, sillä se hankaloittaa bakteeri-infektioiden hoitamista. AMR on haastava ongelma erityisesti Enterobacteriaceae-heimoon kuuluvien antibiooteille vastustuskykyisten patogeenien sekä niiden horisontaalisesti leviävien antibioottiresistenssigeenien (ARG) vuoksi. Näiden geenien leviämistä bakteeriyhteisöissä edesauttavat erityisesti itsenäisesti replikoituvat ja siirtyvät liikkuvat geneettiset elementit (MGE) kuten konjugatiiviset plasmidit. Tämän vuoksi AMR-ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan uudenlaisia hoitomuotoja. Faagiterapiassa hyödynnetään bakteereja infektoivia viruksia. Antimikrobiaaliset CRISPR-pohjaiset työkalut taas voisivat olla tulevaisuuden ratkaisu ARG:ien poistamiseksi bakteeriyhteisöistä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin Enterobacteriaceae-heimoon kuuluvien Escherichia coli- ja Klebsiella pneumoniae -bakteerien plasmididynamiikkaa ja antibioottiresistenssiä eri näkökulmista. Osatyössä I selvitettiin plasmidien ja antibioottiresistenssin dynamiikkaa antibioottihoidon aikana. Toisessa osatyössä (II) tutkittiin evoluutiohistorian vaikutusta plasmidien evoluutiodynamiikkaan ja niiden potentiaalia pelastaa antibiooteille herkkiä bakteereja konjugatiivisten plasmidien avulla. Lisäksi osatyössä III selvitettiin faagiresistenssin kehittymiseen vaikuttavia ympäristötekijöitä moniresistenteillä bakteereilla. Tutkimuksen viimeisessä osatyössä (IV) tutkittiin antimikrobisen CRISPR-työkalun vaikutusta ESBL- (Extended-Spectrum Beta-lactamase)-plasmidien säilyvyyteen ja evoluutioon. Tutkimustulokset osoittavat, että ekologiset tekijät vaikuttavat kohdennettujen keinojen tehokkuuteen. Lisäksi työn tuloksissa korostuu resistenssiplasmidien kyky sopeutua erilaisiin isäntäbakteeriympäristöihin sekä evoluutiohistorian vaikutus plasmididynamiikkaan. Tämä väitöskirjatyö laajentaa nykyistä tietämystä siitä, miten voimakkaasti sopeutumiskykyiset bakteerit kykenevät adaptoitumaan muuttuviin olosuhteisiin, korostaen erityisesti ekologisten tekijöiden merkitystä kehitettäessä tehokkaita työkaluja antibioottiresistenssiä vastaan.

Antimicrobial resistance (AMR) has emerged as a pressing global crisis that threatens to undermine a century of medical advancements and poses significant implications to healthcare worldwide. The complexity of AMR, particularly evident in notorious pathogens like those within the Enterobacteriaceae family, is exacerbated by the horizontal dissemination of antimicrobial resistance encoding genes (ARGs). This propagation within bacterial communities is further accelerated by self-replicating and self-transferrable mobile genetic elements (MGEs), known as conjugative plasmids. This thesis delves into the antimicrobial resistance and plasmid dynamics of Enterobacteriaceae members E. coli and K. pneumoniae. The overarching aim of this thesis is to explore various aspects of microbial dynamics and antibiotic resistance evolution. Firstly, the investigation aims to delve into the dynamics of plasmids and resistance following antibiotic therapy (Study I). Secondly, it examines the evolutionary dynamics of plasmid lineages and their potential for evolutionary rescue (Study II). Furthermore, it aims to explore the environmental determinants influencing the development of phage resistance (Study III). Lastly, it aims to investigate the evolution and persistence of an ESBL plasmid targeted by CRISPR antimicrobial strategies (Study IV). Findings reveal significant AMR and plasmid content diversity among multiresistant E. coli and K. pneumoniae gut isolates. Notably, the research underscores the critical role of ecological factors in shaping the efficacy of interventions like phage therapy and CRISPR antimicrobials. Moreover, it highlights the profound influence of evolutionary history on plasmid dynamics and resistance mechanisms. This thesis expands current knowledge by shedding light on the adaptability of bacteria to their environment and emphasizes the need to consider ecological factors in developing effective strategies against the AMR crisis.