Adaptive responses in foodborne pathogens to environmental and antibiotic stress

Abstract

Foodborne illnesses cause significant mortality, particularly in underdeveloped nations. The gastric acid barrier in the stomach serves as a vital defense against pathogens, but bacteria with acid tolerance mechanisms can bypass it, often requiring antibiotics for treatment. The growing threat of antibiotic resistance underscores the need to better understand how resistant bacteria emerge. <i>Vibrio cholerae</i>, a foodborne pathogen responsible for severe outbreaks globally, highlights the importance of studying bacterial adaptability and resistance. This doctoral research focused on bacterial adaptability, acid tolerance, and antibiotic resistance, with emphasis on <i>V. cholerae</i> in two of three studies. In the first study, we examined the genomic adaptability of <i>V. cholerae</i> strains under environmental and evolutionary pressures. Using a hybrid de novo assembly of the strain C6706, we identified unique mutations in genes related to quorum sensing, stress response, motility, and acid tolerance. Phenotypic tests revealed significant differences in biofilm formation, motility, and mutation rates between C6706 and the reference strain N16961, critical for <i>V. cholerae</i>’s adaptive evolution. The second study investigated adaptive acid tolerance in <i>V. cholerae</i>, using a high-density transposon library and transposon-insertion sequencing to uncover novel acid tolerance genes. Many of these genes were related to cell membrane changes, suggesting multiple ATR systems, beyond the known amino acid decarboxylase pathways, play crucial roles in acid tolerance. In the third study, we developed a model to explore how antibiotic mechanisms influence resistance. Our findings challenge the idea that bactericidal antibiotics are less likely to drive resistance compared to bacteriostatic ones. We introduced the concept of the secondary mutant selection window, emphasizing the role of secondary mutations in resistance development. These studies highlight the need to integrate genomic, phenotypic, and pharmacodynamic data to better understand foodborne illness pathogenesis and improve therapeutic strategies.

Matbårne sykdommer forårsaker en betydelig mengde dødelighet, spesielt i land med underutviklet infrastruktur og renovasjonsordninger. Magesyren er en viktig barriere mot matbårne patogener, men noen bakterier kan utvikle syretoleranse og omgå denne barrieren. Infeksjonen som så kan utvikle seg vil kunne kreve antibiotikabehandling. På grunn av, og for å unngå den videre utviklingen av, antibiotikaresistente bakterier er det viktig å forstå hvordan resistente bakterier fungerer. <i>Vibrio cholerae</i> er en slik matbåren bakterie. Cholera utbrudd som følge av naturkatastrofer understreker viktigheten av å forstå denne bakterien med tanke på tilpasningsevne og resistens utvikling. Denne doktorgradsforskningen fokuserte på bakteriell tilpasningsevne, syretoleranse og antibiotikaresistens, med hovedvekt på <i>V. cholerae</i> i to av tre studier. I den første studien undersøkte vi den genomiske tilpasningsevnen til <i>V. cholerae</i>-stamme under miljømessige og evolusjonære påkjenninger. Ved å bruke en hybrid de novo-sammenstilling av stammen C6706 identifiserte vi unike mutasjoner i gener relatert til quorum sensing, stressrespons, motilitet og syretoleranse. Fenotypiske tester avslørte betydelige forskjeller i biofilmdannelse, motilitet og mutasjonsrater mellom C6706 og referansestammen N16961, som er avgjørende for <i>V. cholerae</i>s adaptive evolusjon. Den andre studien undersøkte adaptiv syretoleranse hos <i>V. cholerae</i> ved bruk av et høy-tetthets transposonbibliotek og transposon-innsettingssekvensering for å avdekke nye gener for syretoleranse. Mange av disse genene var knyttet til endringer i cellemembranen, noe som tyder på at flere syretoleransesystemer, utover de kjente aminosyredekarboksylaseveiene, spiller viktige roller i syretoleranse. I den tredje studien utviklet vi en modell for å utforske hvordan antibiotikamekanismer påvirker resistens. Våre funn utfordrer ideen om at bakteriedrepende antibiotika er mindre tilbøyelige til å fremme resistens enn bakteriostatiske antibiotika. Vi introduserte konseptet «det sekundære mutante seleksjonsvinduet», som fremhever betydningen av sekundære mutasjoner i resistensutvikling. Disse studiene understreker behovet for å integrere genomiske, fenotypiske og farmakodynamiske data for å bedre forstå patogenesen av matbårne sykdommer og forbedre terapeutiske strategier.