Method Article

De rol van zelfkopiërende plasmiden testen in de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica

DOI:

10.3791/57386

⸱

May 2nd, 2018

 ,  , 
1Department of Animal Health, Universidad Complutense de Madrid, 2Visavet Health Surveillance Centre, Universidad Complutense de Madrid, 3Department of Zoology, University of Oxford, 4Department of Microbiology, Hospital Universitario Ramon y Cajal (IRYCIS) and CIBERESP

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier presenteren we een experimentele methode om te testen van de rol van zelfkopiërende plasmiden in de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zelfkopiërende plasmiden zijn zeer overvloedig in prokaryoten, maar hun rol in de bacteriële evolution blijft slecht begrepen. We toonden onlangs dat de toename van de gene exemplaaraantal per cel geboden door zelfkopiërende plasmiden de evolutie van de plasmide-gecodeerde genen kan versnellen. In dit werk presenteren wij een experimenteel systeem om te testen de mogelijkheid voor zelfkopiërende plasmiden ter bevordering van de evolutie van de gene. Met behulp van eenvoudige moleculaire biologiemethodes, we hebben een modelsysteem waar een antibiotica-resistentie gen kan worden ingevoegd in Escherichia coli MG1655, in het chromosoom of op een zelfkopiërende plasmide gebouwd. We gebruik van een experimentele evolutie aanpak te verspreiden van de verschillende stammen onder toenemende concentraties van antibiotica en we meten overleven van bacteriële bevolking na verloop van tijd. De keuze van het antibioticum molecuul en de weerstand-gen is zodat het gen slechts weerstand door de verwerving van mutaties verlenen kan. Deze "evolutionaire rescue"-aanpak biedt een eenvoudige methode om te testen het potentieel voor zelfkopiërende plasmiden ter bevordering van de verwerving van antibiotica-resistentie. In de volgende stap van het experimentele systeem, worden de moleculaire grondslagen van resistentie tegen antibiotica gekenmerkt. Ter identificatie van mutaties verantwoordelijk voor de verwerving van resistentie tegen antibiotica gebruiken we diep DNA sequentiebepaling van monsters die zijn verkregen van hele bevolkingsgroepen en klonen. Ten slotte, om te bevestigen de rol van de mutaties in het gen in onderzoek, we reconstrueren hen in de ouderlijke achtergrond en test het fenotype van de weerstand van de resulterende spanningen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Antibiotica-resistentie bij bacteriën is een belangrijke gezondheid probleem1. Op een fundamenteel niveau is de verspreiding van resistentie tegen antibiotica in pathogene bacteriën een eenvoudig voorbeeld van evolutie door natuurlijke selectie2,3. Simpel gezegd, het gebruik van antibiotica genereert selectie van resistente stammen. Daarom, is een belangrijk probleem in de evolutiebiologie, inzicht in de factoren die invloed hebben op het vermogen van bacteriële populaties te ontwikkelen resistentie tegen antibiotica. Selectie experimenten zijn voortgekomen als een zeer krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van de evolutionaire biologie van bacteriën, en dit veld heeft ongelooflijke inzicht in een breed scala van evolutionaire problemen4,5,6. In experimentele evolutie, zijn de bacteriële populaties die worden geïnitieerd vanaf een single strain van ouderlijke serieel gepasseerd gedefinieerd en streng gecontroleerde omstandigheden. Sommige van de mutaties die tijdens de groei van deze culturen optreden vergroten bacteriële fitness, en dit verspreid via de culturen door natuurlijke selectie. Tijdens het experiment, worden monsters van de bevolking periodiek diepgevroren bewaard als een niet-evoluerende bevroren fossiele record wilt maken. Een groot aantal benaderingen kan worden gebruikt voor het karakteriseren bacteriële populaties in ontwikkeling, maar de twee meest voorkomende methoden zijn fitness testen, die het vermogen van geëvolueerd bacteriën meten te concurreren tegen hun verre voorouders, en hele genoom sequencing, thats gebruikt ter identificatie van de genetische veranderingen die schijf aanpassing. Na pionierswerk door Richard Lenski en collega's7,8, de standaardbenadering in experimentele evolutie geweest om een relatief klein aantal repliceren populaties (meestal < 10) met de aanpassing aan een nieuwe milieu-uitdaging, zoals nieuwe CO2-bronnen, temperatuur of een roofzuchtige phage.

Infecties veroorzaakt door antibiotica resistente bacteriën uitgegroeid tot een groot probleem wanneer weerstand hoog genoeg is dat het niet mogelijk om antibiotica concentraties dodelijk niveaus in geduldige weefsels is. Clinici zijn dus geïnteresseerd in wat bacteriën kunnen ontwikkelen resistentie tegen hoge doses antibiotica die boven deze drempel antibioticum concentratie, de klinische onderbrekingspunt. Hoe kan ik dit experimenteel studeren? Als een klein aantal bacteriële populaties worden uitgedaagd met een hoge dosis van het antibioticum, zoals in een Lenski-stijl experiment, dan de meest waarschijnlijke uitkomst is dat het antibioticum zal rijden alle van de bevolking tot uitsterven. Op hetzelfde moment, als de dosis van het antibioticum dat wordt gebruikt laag, onder de minimale remmende concentratie (MIC) van de ouderlijke stam is, is dan het onwaarschijnlijk dat de bacteriële bevolking klinisch relevante niveaus van weerstand evolueren zal, vooral als weerstand draagt een grote kosten. Een compromis tussen deze twee scenario's is het gebruik van een "evolutionaire rescue" experiment9,10,11. In deze benadering, een zeer groot aantal culturen (meestal > 40) wordt uitgedaagd met doses van antibiotica die in de tijd, meestal toenemen door een verdubbeling van de antibioticum concentratie elke dag12. Het kenmerk van dit experiment is dat iedere bevolking dat niet verhoogde resistentie evolueren zal worden gedreven tot uitsterven. De bevolking van de meeste die op deze manier worden uitgedaagd zal uitgestorven worden gereden, maar een kleine minderheid zullen blijven bestaan door het ontwikkelen van hoge niveaus van weerstand. In dit artikel laten we zien hoe deze proefopzet kan worden gebruikt om te onderzoeken zelfkopiërende plasmide bijdrage aan de ontwikkeling van resistentie.

Bacteriën krijgen resistentie tegen antibiotica door twee belangrijkste routes, chromosomale mutaties en verwerving van mobiele genetische elementen, meestal plasmiden13. Plasmiden spelen een sleutelrol in de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica omdat ze kunnen overzetten van resistentiegenen tussen bacteriën met geconjugeerde14,15. Plasmiden kunnen worden onderverdeeld in twee groepen volgens hun grootte en biologie: "klein", met hoog exemplaaraantal per de bacteriële cel en "grote", met een lage kopiëren nummer16,17. De rol van grote plasmiden in de evolutie van antibiotica-resistentie is uitgebreid gedocumenteerd omdat zij omvatten conjugative plasmiden, die belangrijke motor van de verspreiding van resistentie en multi resistentie bij bacteriën15. Kleine zelfkopiërende plasmiden zijn ook uiterst gemeenschappelijk in bacteriën17,18, en zij vaak code voor antibiotica-resistentie genen19. De rol van kleine zelfkopiërende plasmiden in de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica is echter onderzocht in mindere mate.

In een recente werk voorgesteld wij hebben dat zelfkopiërende plasmiden de evolutie van de genen die zij dragen doordat gen mutatie tarieven als gevolg van de hogere gene exemplaaraantal per cel12kon versnellen. Met behulp van een experimenteel model met E. coli stam MG1655 en de β-lactamase gene blaTEM-1 werd aangetoond dat zelfkopiërende plasmiden versneld het tarief van de verschijning van de TEM-1 mutaties overdracht van resistentie tegen de derde-generatie cefalosporine Ceftazidim. Deze resultaten aangegeven dat zelfkopiërende plasmiden spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica kunnen.

Hier presenteren we een gedetailleerde beschrijving van de methode die we hebben ontwikkeld om te onderzoeken de zelfkopiërende plasmide gemedieerde evolutie van antibiotica-resistentie. Deze methode heeft drie verschillende stappen: eerste, invoeging van het gen in onderzoek in een zelfkopiërende plasmide of het chromosoom van de gastheer-bacterie. Ten tweede, gebruik van experimentele ontwikkeling (evolutionaire rescue) te beoordelen van het potentieel van de verschillende soorten aan te passen aan de selectieve druk. En ten derde, de bepaling van de moleculaire basis ten grondslag liggen aan de plasmide gemedieerde evolutie gebruikend DNA rangschikkend en wederopbouw van de vermoedelijke mutaties individueel in de ouderlijke genotype.

Tot slot, hoewel het protocol hier beschreven is ontworpen om te onderzoeken van de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica, kan men stellen dat deze methode zou kunnen zijn over het algemeen nuttig is voor het analyseren van de evolutie van innovaties verworven door mutaties in elke multicopy plasmide-gecodeerde gen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. bouw van het experimentele systeem codering van antibiotica-resistentie gen

Opmerking: Hier E. coli MG1655 werd gebruikt als de ontvangende stam van de plasmide - of chromosoom gecodeerde antibiotica-resistentie gen. De antibiotica-resistentie gen is gecodeerd in het chromosoom of een zelfkopiërende plasmide in een anders isogene stam (Figuur 1).

  1. Toevoeging van de antibiotica-resistentie gen in de lambda phage integratie site (attB)20 van het chromosoom van MG1655.
    1. Versterken van 500 bp durende regio's aan beide zijden van de chromosomale attB site door PCR. Gebruik oligonucleotides YbhC-F (5'-CCTGTACCGTACAGAGTAAT-3') en attB-R (5'-GCCCGCCACCCTCCGGGCCGGTATAAAAAAGCAGGCTTCA-3') voor de linker homologie regio en attB-F (5'-AGCGCCCTAGCGCCCGCTCCTTATACTAACTTGAGCGAAA-3') en YbhB/R (5'- TGGCGATAATATTTCACCGC-3') voor de juiste is. Versterken van het blaTEM-1 weerstand gen gebruikend inleidingen Tem1-pBAD-F (5'-TGAAGCCTGCTTTTTTATACCGGCCCGGAGGGTGGCGGGC-3') en Tem1-pBAD-R (5'-TTTCGCTCAAGTTAGTATAAGGAGCGGGCGCTAGGGCGCT-3'). Inleidingen met ongeveer 20 ontwerpen bp (in het 5' einde) van sequentie complementariteit naar het fragment dat is gonna worden gesmolten te tonen.
    2. Zekering homologie regio's aan de antibiotica-resistentie gen PCR-product (met inbegrip van haar promotor regio) met behulp van isothermische vergadering21, bij 50 ° C gedurende 30 minuten.
    3. Electroporate MG1655 cellen met plasmide pKOBEG.
      Opmerking: pKOBEG is een vector van hittegevoelige waarin de λ rode machines, bevordering van de homologie gebaseerde allèlique uitwisseling tussen de chromosomen en PCR producten22.
      1. Gebruik 1 µL van het product van stap 1.1.223 in 40 µL van electrocompetent cellen in 2 mm cuvettes bij 4 ° C en 2,5 kV. Resuspendeer de cellen in 1 mL van de pond-Bouillon + 0,2% arabinose om de uitdrukking van de λ rode machines.
      2. Het totale volume overbrengen in een microfuge buis en incubeer 2 h bij 30 ° C (tolerante temperatuur voor pKOBEG) met intense schudden (200 rpm in een roteerschudapparaat) zodat de fenotypische expressie van de resistentie-markers ingevoegd in het chromosoom.
      3. Plaat van de cellen op LB agar met de juiste antibiotica te selecteren voor het gen van de resistentie tegen antibiotica (ampicilline of carbenicillin op 100 mg/l voor blaTEM-1).
    4. Plaat 100 µL op één petrischaaltje, draai van de rest van het volume, het resuspendeer in 100 µL van vers pond-Bouillon en plaat het op een andere petrischaal. Na een nacht bebroeden bij 42 ° C.
      Opmerking: Deze temperatuur is niet-tolerante voor de replicatie van pKOBEG. De kolonies kunnen groeien in deze voorwaarden zal hebben verloren pKOBEG en zal de resistentie gen geïntegreerd in de attB -site (voor eenvoud deze spanning zal worden genoemd MG1655::resA vanaf hier).
    5. Test voor het verlies van pKOBEG door het repliceren van de kolonies van belangstelling voor platen met chlooramfenicol (het antibioticum tegen die pKOBEG bevat een marker van de weerstand).
      Opmerking: Gebrek aan groei in chlooramfenicol platen op de tolerante temperatuur van 30 ºC is kenmerkend voor de afwezigheid van de plasmide.
    6. Om na te gaan klonen, PCR versterken de bouw met behulp van externe inleidingen YbhC-Extern (5'-TTTGTGACCAGAAGACCGCA-3') en YbhB-Extern (5'-CTCATCAGTAACGATCTGCG-3'), via Elektroforese van het gel controleert u of de juiste grootte van de amplicon en de volgorde de gezuiverde product om ervoor te zorgen dat de volgorde van de ingevoegde gen correct is.
  2. Plaats de antibiotica-resistentie gen in een zelfkopiërende plasmide.
    Opmerking: Omdat plasmiden met zeer hoge exemplaaraantal de neiging om het opleggen van een grote daling in bacteriële host fitness, raden we het gebruik van plasmiden met zelfkopiërende, met een natuurlijke oorsprong van replicatie, zoals p3655 (pSU18T-pBADgfp2, ColE1-type oorsprong van replicatie24). Deze plasmiden meestal presenteren een matige exemplaaraantal van ongeveer 15-20 kopieën per cel.
    1. PCR versterken het gen van de resistentie tegen antibiotica van keuze (met inbegrip van de promotor regio), phosphorylate van het PCR-product en het afbinden met de PCR-versterkte backbone van de plasmide:
      1. PCR versterken de antibiotica-resistentie gen; TEM-1 gebruik voor blainleidingen Tem1-pBAD-F (5'-TGAAGCCTGCTTTTTTATACCGGCCCGGAGGGTGGCGGGC-3') en Tem1-pBAD-R (5'-TTTCGCTCAAGTTAGTATAAGGAGCGGGCGCTAGGGCGCT-3').
      2. Phosphorylate het gezuiverde product met behulp van T4 polynucleotide kinase, volgens de instructies van de fabrikant.
      3. PCR versterken de ruggengraat van de plasmide met behulp van een hifi-polymerase en oligonucleotides pBAD-F (5'-CGTTGATCGGCACGTAAGAG-3') en pBAD-R (5'-AAACGACGGCCAGTGCCAAG-3').
      4. Afbinden van beide PCR fragmenten met behulp van T4-ligase volgens richtlijnen van de fabrikant.
    2. Electroporate, zoals eerder beschreven 40 µL van het electrocompetent E. coli DH5-α cellen met een maximum van 1 µL van de afbinding product en selecteert u op de juiste antibiotica voor het gen van de resistentie tegen antibiotica (ampicilline of carbenicillin bij 100 mg/L voor blaTEM-1) en de ruggengraat van de plasmide.
      Opmerking: LB aan te vullen met arabinose hier is overbodig.
    3. Pak het plasmide met behulp van de commerciële mini prep-kit van de reader's choice:
      1. Oogst 5 mL van een overnachting cultuur door centrifugatie bij 12.000 x g bij kamertemperatuur. Resuspendeer de cellen in 250 µL van resuspensie oplossing en meng goed. Voeg 250 µL van lysis van de oplossing en meng goed. Voeg 350 µL neutralisatie en meng goed.
      2. Het supernatant overbrengen in de DNA-bindende kolom voorzien van de kit, centrifuge voor 1 min en gooi de stroom door. Was twee keer de kolom met 500 µL van oplossing van wassen, centrifugeren voor één minuut en teruggooien van de flowthrough bij elke wasbeurt. Centrifugeer de lege kolom voor 1 extra min te verwijderen van de resterende wassen buffer.
      3. Plaats van de kolom in een schone buis en voeg 50 µL van ultra zuiver water aan het membraan te elueer de gezuiverde DNA. Centrifugeer gedurende 1-2 min en verzamelen de stroom door die het gezuiverde plasmide bevat. Sanger volgorde het gen van belang in het plasmide gebruikend inleidingen van buiten de ingebrachte sequentie om te bevestigen dat de volgorde klopt en dat geen mutaties in het gen weerstand voorafgaand aan de evolutie experimenten aanwezig zijn.
    4. Als de volgorde is geverifieerd, electroporate de plasmide in de E. coli MG1655 stam, zoals hierboven beschreven.
      Opmerking: Dit levert stam MG1655/pRESA.

2. evolutionaire Rescue aanpak experimenteel ontwikkelen resistentie tegen antibiotica (Figuur 1)

  1. Streak uit de stammen onder studie op LB platen: MG1655::resA en MG1655/pRESA plus de gevoelig ouderlijke stam, MG1655.
    Opmerking: Plasmide pRESA moet stabiel in MG1655, dus er is geen noodzaak om toe te voegen antibiotica aan de LB-platen. Tarieven van de mutatie bij E. coli zijn laag genoeg, zodat zodra de bouw wordt gecontroleerd is het niet nodig om te controleren of de plasmide volgorde bij elke stap.
  2. Bereiden van 96-wells-platen met 200 µL van LB in elk putje en enten 48 geïsoleerde kolonies van elke stam in onafhankelijke wells (één plaat per stam). Incubeer de platen 's nachts bij 37 ° C en 200 rpm. Houd een bevroren voorraad van de populaties van deze oprichter.
    Opmerking: Ter voorkoming en controle voor cultuur kruisbesmetting in de 96-wells-platen, gebruik een dambord plaat ontwerp door intercalating geënte putten met bacteriën vrij medium gedurende de 96-wells-plaat. Gebruik deze plaat ontwerp tijdens de gehele experimentele ontwikkeling.
  3. Start het experiment evolutionaire redding door inoculating 2 µL van elk putje van de platen met de bevolking van de oprichter in nieuwe 96-wells-platen met 198 µL van LB in elk putje met een sub-inhibitory concentratie van het antibioticum bestudeerde. Voor de aanpak van de evolutionaire redding beginnen met ¼ of 1/8 van de minimaal remmende concentratie (MIC, bepaald eerder25) van het antibioticum in LB voor elk van de drie stammen en de concentratie van de antibiotica dagelijkse verdubbelen. Gebruik deze aanpak om te maximaliseren van de kansen van de bevolking te verwerven weerstand mutaties26. Incubeer de platen bij 37 ° C en 200 rpm voor 20u.
    Opmerking: Meet de overnachting OD van de populaties van de oprichter. Als er aanzienlijke verschillen in OD tussen stammen zijn corrigeren de eerste entmateriaal om te beginnen met het experiment met hetzelfde aantal cellen per putje.
  4. Elke dag, meten van de OD van elke bevolking na overnachting cultuur en voert u een overdracht van de culturen, zoals beschreven in punt 2.3, naar nieuwe 96-wells-platen met dubbele de concentratie van het antibioticum dan de dag ervoor. Incubeer de platen 20 h bij 37 ° C en 200 rpm.
    Opmerking: De verdunningsfactor 1:100 produceert ongeveer 6-7 generaties per dag.
  5. Parallel, propageren controle populaties van elke stam in dezelfde voorwaarden zoals beschreven in 2.3 en 2.4, maar in de afwezigheid van antibiotica.
    Opmerking: Controle populaties zal helpen onderscheid te maken tussen de mutaties die voortvloeien als gevolg van de aanwezigheid van de antibiotica en de algemene mutaties helpen bacteriën aan de experimentele omstandigheden aan te passen. Parallelle mutaties ontstaan bij gebrek aan antibiotica zijn waarschijnlijk te helpen bacteriën aan de experimentele omstandigheden aan te passen en niet gerelateerd aan antibioticaresistentie.
  6. Het aantal overlevende bevolking dagelijks bijhouden door het meten van de extinctie bij een golflengte van 600 nm (OD) van de culturen die met behulp van een afleesapparaat.
    Opmerking: Optische dichtheid waarden lager dan 0,1 het uitsterven van de bevolking geven. Zie Figuur 2 voor een voorbeeld van overleving curven.
  7. Houd een bevroren voorraad van alle van de bevolking regelmatig (elke 3-5 dagen).
  8. Het gebruik van log-rank tests [pakket "overleven" in RStudio (versie 0.99.486)] om statistische verschillen in het voortbestaan van de populaties van de verschillende stammen na verloop van tijd onder toenemende concentratie van antibiotica12te bepalen.
    Opmerking: Dit experiment zal bepalen als zelfkopiërende plasmiden de evolutie van antibiotica-resistentie voor bepaalde antibiotica en gene bestudeerde versterken.

3. moleculaire Basis van de evolutie van antibiotica-resistentie (Figuur 1)

  1. Totale DNA extracties uit een representatief aantal populaties en klonen in stammen en behandelingen kunnen laten presteren. De ouderlijke stammen (MG1655, MG1655::resA en MG1655/pRESA) te kunnen detecteren de mutaties accumuleren tijdens het experiment.
    Opmerking: Zie de tabel met materialen voor voorbeelden van DNA-extractie-kits. Elke kit heeft verschillende protocollen; Volg de instructies van de fabrikanten.
  2. Kwantificeren DNA kwaliteit en concentratie. Er zijn verschillende methoden om te bepalen kwaliteit van DNA en concentratie. Bepalend voor de kwaliteit meten van de ratio's van absorptie 260 nm/280 nm en 260 nm/230 nm. Een fluorescente, DNA-bindende kleurstof gebruiken voor het meten van de concentratie van de DNA volgens de instructies van de fabrikant, en agarose de Elektroforese van het gel om te bevestigen dat er geen DNA afbraak of RNA besmetting.
  3. Gebruik diepe DNA rangschikkend van monsters van hele bevolkingsgroepen en de individuele klonen te onderzoeken van de genetische basis van resistentie tegen antibiotica.
    Opmerking: We uitgevoerd alle rangschikken op de Wellcome Trust centrum voor menselijke erfelijkheid, Oxford, UK. Voor meer details zie San Millan et al. 201612.
  4. Gebruik de breseq 0.26.1 pijpleiding27,28 te detecteren de mutaties, gebruik van polymorfisme modus voor de raming van de frequentie van mutaties in populaties. Vergelijk de verschillende geëvolueerd genomen aan het ouderlijke genoom te detecteren mutaties die tijdens het experiment hebben opgebouwd.
  5. Vergelijk de mutaties opgebouwd in parallel in de bevolking controle met die van de bevolking zich ontwikkeld onder toenemende concentratie van antibiotica om te differentiëren tussen mutaties helpen bacteriën aan te passen aan de algemene proefomstandigheden ( die gevonden in de bevolking controle) en die betrokken zijn bij resistentie tegen antibiotica (die gevonden uitsluitend in populaties onderworpen aan antibioticum druk).
    Opmerking: Het aantal parallelle mutaties is meestal laag, zodat verschillende parallelle mutaties tussen behandelingen gemakkelijk kunnen worden beoordeeld. Afgezien van de mutaties in het gen van de antibioticaresistentie bestudeerde die het is zeer waarschijnlijk te vinden andere mutaties geassocieerd met resistentie tegen antibiotica in het chromosoom, dergelijke mutaties in porins of efflux systemen12.
  6. Het reconstrueren van de mutaties in het gen van de antibiotica-resistentie in de ouderlijke stam met behulp van dezelfde benadering als in sectie 1 van dit protocol. Volg punten 1.1 en 1.2 van het protocol bij het introduceren van de nieuwe mutaties in de ouderlijke achtergrond (met behulp van de geëvolueerde genen als een PCR-sjabloon). Analyseer de antibioticaresistentie fenotypes van deze nieuwe constructies ter bevestiging van de rol van de mutaties.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In onze eerdere werk, werd de evolutie van de β-lactamase gene blaTEM-1 naar overdracht van resistentie tegen de derde generatie cefalosporine Ceftazidim12 onderzocht. Dit gen werd geselecteerd omdat, hoewel TEM-1 geen weerstand tegen Ceftazidim verleent, mutaties in blaTEM-1 kunnen het bereik van de activiteit van de TEM-1 te hydrolyseren cefalosporines zoals Ceftazidim29. Mutaties in de antibioticare...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Presenteren we een nieuw protocol combinatie van moleculaire biologie, experimentele evolutie en diepe DNA rangschikkend ontworpen te onderzoeken van de rol van zelfkopiërende plasmiden in de evolutie van antibiotica-resistentie bij bacteriën. Hoewel dit protocol technieken uit verschillende velden combineert, alle methoden die nodig zijn voor de ontwikkeling ervan zijn eenvoudig, en kunnen worden uitgevoerd in een laboratorium van de regelmatige microbiologie. De belangrijkste stappen in het protocol zijn waarschijnlijk...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd gesteund door het Instituto de Salud Carlos III (Plan Estatal de ik + D + ik 2013-2016): verleent CP15-00012, PI16-00860 en CIBER (CB06/02/0053), medegefinancierd door het Europees Regionaal Ontwikkelingsfonds '' een manier is om Europa '' (EFRO). JAE wordt ondersteund door het Atraccion de talento -programma van de regering van de provincie Madrid (2016-T1/BIO-1105), en de I + D Excelencia van de Spaanse Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (BIO2017-85056-P). ASM wordt ondersteund door een Miguel Servet Fellowship van het Instituto de Salud Carlos III (MS15/00012) mede gefinancierd door het Europees Sociaal Fonds "Investeren in je toekomst" (ESF) en het EFRO.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ThermocyclerBioRadC1000
ElectroporatorBiorRad1652660
Electroporation cuvettesSigma-AldrichZ706078
NanoDrop 2000/2000cThermo Fisher ScientificND-2000Bepaal DNA-kwaliteit door het meten van de verhoudingen van absorptie 260nm/280nm en 260nm/230nm
IncubatorMemmertUF1060
Incubator (schudder)Cole-Parmer LtdSI500
Elektroforese voedingBioRad1645070Agarose gel elektroforese
Elektroforese kamerBioRad1704405Agarose gel elektroforese
PipettenBiohit725020, 725050, 725060, 725070
Multi-kanaals pipettenBiohit728220, 728230,
728240
Plate reader Synergy HTXBioTekBTS1LF
Inoculating lussenSigma-AldrichI8388
96-wells platenFalcon351172
LBBD DifcoDF0446-17-3
LB agarFisher scientificBP1425-500
Phusion PolymeraseThermo Fisher ScientificF533S
Gibson AssemblyNew England BiolabsE2611S
Resctriction enzymenFermentas FastDigest
AntibioticaSigma-Aldrich
QIAprep Spin Miniprep KitQiagen27104Plasmid extractie kit
Wizard Genomic DNA Purification KitPromegaA1120gDNA extractie kit
DNeasy Blood & Tissue KitsQiagen69506gDNA extractie kit
Electroporation cuvettesSigma-AldrichZ706078
Petri schotelsSigma-AldrichD9054
CryotubesClearLine390701
96-wells platen (-80ºC opslag)Thermo Fisher Scientific249945
QuantiFluor dsDNA SystemPromegaE2670Kwantificering van DNA concentratie
AgaroseBioRad1613100Agarose gel elektroforese
50x TAE bufferBioRad1610743Agarose gel elektroforese
T4 Polynucleotide KinaseThermo Fisher ScientificEK0031
T4 DNA LigaseThermo Fisher ScientificEL0014

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Neill, J. TACKLING DRUG-RESISTANT INFECTIONS GLOBALLY: FINAL REPORT AND RECOMMENDATIONS. Review on Antimicrobal Resistance. , (2016).
  2. Palmer, A. C., Kishony, R. Understanding, predicting and manipulating the genotypic evolution of antibiotic resistance. Nat Rev Genet. 14 (4), 243-248 (2013).
  3. MacLean, R. C., Hall, A. R., Perron, G. G., Buckling, A. The population genetics of antibiotic resistance: integrating molecular mechanisms and treatment contexts. Nat Rev Genet. 11 (6), 405-414 (2010).
  4. Buckling, A., Maclean, R. C., Brockhurst, M. A., Colegrave, N. The Beagle in a bottle. Nature. 457 (7231), 824-829 (2009).
  5. Barrick, J. E., Lenski, R. E. Genome dynamics during experimental evolution. Nature Reviews Genetics. 14 (12), 827-839 (2013).
  6. Elena, S. F., Lenski, R. E. Evolution experiments with microorganisms: The dynamics and genetic bases of adaptation. Nature Reviews Genetics. 4 (6), 457-469 (2003).
  7. Lenski, R. E., Rose, M. R., Simpson, S. C., Tadler, S. C. Long-Term Experimental Evolution in Escherichia coli. I. Adaptation and Divergence During 2,000 Generations. The American Naturalist. 138 (6), 1315-1341 (1991).
  8. Bennett, A. F., Dao, K. M., Lenski, R. E. Rapid evolution in response to high-temperature selection. Nature. 346 (6279), 79-81 (1990).
  9. Bell, G. Evolutionary rescue and the limits of adaptation. Philosophical Transactions of the Royal Society B-Biological Sciences. 368 (1610), (2013).
  10. Bell, G., Gonzalez, A. Adaptation and Evolutionary Rescue in Metapopulations Experiencing Environmental Deterioration. Science. 332 (6035), 1327-1330 (2011).
  11. Bell, G., Gonzalez, A. Evolutionary rescue can prevent extinction following environmental change. Ecology Letters. 12 (9), 942-948 (2009).
  12. San Millan, A., Escudero, J. A., Gifford, D. R., Mazel, D., MacLean, R. C. Multicopy plasmids potentiate the evolution of antibiotic resistance in bacteria. Nature Ecology & Evolution. 1, 0010(2016).
  13. Alekshun, M. N., Levy, S. B. Molecular mechanisms of antibacterial multidrug resistance. Cell. 128 (6), 1037-1050 (2007).
  14. Ochman, H., Lawrence, J. G., Groisman, E. A. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature. 405 (6784), 299-304 (2000).
  15. Carattoli, A. Plasmids and the spread of resistance. Int J Med Microbiol. 303 (6-7), 298-304 (2013).
  16. Smillie, C., Garcillán-Barcia, M. P., Francia, M. V., Rocha, E. P., de la Cruz, F. Mobility of plasmids. Microbiol Mol Biol Rev. 74 (3), 434-452 (2010).
  17. San Millan, A., Heilbron, K., Maclean, R. C. Positive epistasis between co-infecting plasmids promotes plasmid survival in bacterial populations. ISME J. , (2013).
  18. Stoesser, N., et al. Evolutionary History of the Global Emergence of the Escherichia coli Epidemic Clone ST131. MBio. 7 (2), (2016).
  19. San Millan, A., et al. Multiresistance in Pasteurella multocida is mediated by coexistence of small plasmids. Antimicrob Agents Chemother. 53 (8), 3399-3404 (2009).
  20. Escudero, J. A., et al. Unmasking the ancestral activity of integron integrases reveals a smooth evolutionary transition during functional innovation. Nat Commun. 7, 10937(2016).
  21. Gibson, D. G., et al. Enzymatic assembly of DNA molecules up to several hundred kilobases. Nat Methods. 6 (5), 343-345 (2009).
  22. Datsenko, K. A., Wanner, B. L. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (12), 6640-6645 (2000).
  23. Chaveroche, M. K., Ghigo, J. M., d'Enfert, C. A rapid method for efficient gene replacement in the filamentous fungus Aspergillus nidulans. Nucleic Acids Res. 28 (22), 97(2000).
  24. Le Roux, F., Binesse, J., Saulnier, D., Mazel, D. Construction of a Vibrio splendidus mutant lacking the metalloprotease gene vsm by use of a novel counterselectable suicide vector. Appl Environ Microbiol. 73 (3), 777-784 (2007).
  25. Performance standards for antimicrobial susceptibility testing; 19th ed. Approved standard M100-S19. , Clinical and Laboratory Standards Institute. Wayne, PA, USA. (2009).
  26. Lindsey, H. A., Gallie, J., Taylor, S., Kerr, B. Evolutionary rescue from extinction is contingent on a lower rate of environmental change. Nature. 494 (7438), 463-467 (2013).
  27. Deatherage, D. E., Barrick, J. E. Identification of mutations in laboratory-evolved microbes from next-generation sequencing data using breseq. Methods Mol Biol. 1151, 165-188 (2014).
  28. Barrick, J. E., et al. Identifying structural variation in haploid microbial genomes from short-read resequencing data using breseq. BMC Genomics. 15, 1039(2014).
  29. Salverda, M. L., De Visser, J. A., Barlow, M. Natural evolution of TEM-1 β-lactamase: experimental reconstruction and clinical relevance. FEMS Microbiol Rev. 34 (6), 1015-1036 (2010).
  30. Ramirez, M. S., Tolmasky, M. E. Aminoglycoside modifying enzymes. Drug Resist Updat. 13 (6), 151-171 (2010).
  31. Jerison, E. R., Desai, M. M. Genomic investigations of evolutionary dynamics and epistasis in microbial evolution experiments. Current Opinion in Genetics & Development. 35, 33-39 (2015).
  32. Toll-Riera, M., San Millan, A., Wagner, A., MacLean, R. C. The Genomic Basis of Evolutionary Innovation in Pseudomonas aeruginosa. PLoS Genet. 12 (5), 1006005(2016).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Multicopy PlasmidsAntibiotic ResistanceExperimental EvolutionEscherichia coliGene Copy NumberPlasmid ConstructionDeep DNA SequencingEvolutionary RescueAntibiotic SelectionMutation Analysis

Related Articles