Antibiotic dose and nutrient availability differentially drive the evolution of antibiotic resistance and persistence

生物 持久性(不连续性) 抗生素 抗生素耐药性 抗性(生态学) 微生物学 生态学 岩土工程 工程类
作者
Etthel M. Windels,Lloyd Cool,Eline Persy,Janne Swinnen,Paul Matthay,Bram Van den Bergh,Tom Wenseleers,Jan Michiels
出处
期刊:The ISME Journal [Springer Nature]
卷期号:18 (1) 被引量:22
标识
DOI:10.1093/ismejo/wrae070
摘要

Abstract Effective treatment of bacterial infections proves increasingly challenging due to the emergence of bacterial variants that endure antibiotic exposure. Antibiotic resistance and persistence have been identified as two major bacterial survival mechanisms, and several studies have shown a rapid and strong selection of resistance or persistence mutants under repeated drug treatment. Yet, little is known about the impact of the environmental conditions on resistance and persistence evolution and the potential interplay between both phenotypes. Based on the distinct growth and survival characteristics of resistance and persistence mutants, we hypothesized that the antibiotic dose and availability of nutrients during treatment might play a key role in the evolutionary adaptation to antibiotic stress. To test this hypothesis, we combined high-throughput experimental evolution with a mathematical model of bacterial evolution under intermittent antibiotic exposure. We show that high nutrient levels during antibiotic treatment promote selection of high-level resistance, but that resistance mainly emerges independently of persistence when the antibiotic concentration is sufficiently low. At higher doses, resistance evolution is facilitated by the preceding or concurrent selection of persistence mutants, which ensures survival of populations in harsh conditions. Collectively, our experimental data and mathematical model elucidate the evolutionary routes toward increased bacterial survival under different antibiotic treatment schedules, which is key to designing effective antibiotic therapies.
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