The population genetics of antibiotic resistance in multi-drug environments

Information

  • Research Project
  • 9310554
  • ApplicationId
    9310554
  • Core Project Number
    R01GM081617
  • Full Project Number
    2R01GM081617-10
  • Serial Number
    081617
  • FOA Number
    PA-16-160
  • Sub Project Id
  • Project Start Date
    7/2/2007 - 17 years ago
  • Project End Date
    5/31/2019 - 5 years ago
  • Program Officer Name
    JANES, DANIEL E
  • Budget Start Date
    6/1/2017 - 7 years ago
  • Budget End Date
    5/31/2018 - 6 years ago
  • Fiscal Year
    2017
  • Support Year
    10
  • Suffix
  • Award Notice Date
    4/28/2017 - 7 years ago

The population genetics of antibiotic resistance in multi-drug environments

Project  Summary/Abstract    The proliferation of antibiotic­resistant pathogens has increased attention to the use of drug combinations to combat the  evolution of resistance. However, while  the phenotypic and genotypic evolutionary paths towards multidrug resistance can  be  constrained  by  trade­offs  between  resistance  to  one  drug  and  susceptibility  to  other  drugs  or  the  human­host  environment,  evolution  often  circumvents these obstacles. Focusing on both  E. coli and clinical species, we will unravel  the  potential  and  limits  of  such  approaches  for  constraining  evolution.  In  Aim  1,  using  a  novel  selection  device,  the  MEGA­plate, which follows multiple diversifying bacterial lineages as they migrate and evolve on large antibiotic gradient  landscapes,  we  will  comprehensively  map  the  repertoire of multi­mutational paths to high­level resistance to a range of  antibiotics  as  well  as  to  pairs of antibiotics presenting adaptive trade­offs. Coupled with whole­genome sequencing and  automated high­throughput phenotyping, this device will enable us to identify common and specific adaptive mechanisms,  reveal the predictability and further evolutionary potential of each mutational step, and test whether channeling evolution  towards  ?quasi  dead­end?  genotypes  can  impede  long­term  adaptation.  In  Aim  2,  we  focus  on  cycling  drug  pairs  presenting reciprocal adaptive trade­offs and examine vulnerabilities of the approach. Going ?beyond the average?, we will  construct  a  deep  library  of  single­step  mutants  selected  on  one  of  several  different  antibiotics and test  en masse their  cross­resistance  to  the  other  antibiotics.  These  results  will  identify  rare  ?escape?  mutants  which  circumvent  inherent  trade­offs  between  resistance  to  these  drugs.  Synthetically  combining  pairs  of  mutations  which  individually  show  resistance  to  one  drug  yet  sensitivity  to  the  other,  we  will  reveal  whether  such  mutations  can  interact  non­additively  leading to resistance to both drugs. In Aim 3, we examine the effectiveness yet weaknesses of new ?selection­inverting?  compounds  which  we  recently  found  to  act  preferentially  against  bacteria  expressing  the  tetracycline  resistance  efflux  pump.  We  will  use  a  microfluidic  device  to  follow  single  cells  while  switching  between  tetracycline  and  the  new  compounds, thereby identifying the optimal regime for selection against the pump. We will then systematically mutate the  tetracycline pump to identify mutations that escape the trade­off. Finally, in Aim 4, we focus on the differences between  in  vitro  and  in vivo  adaptive pathways to identify the evolutionary constraints imposed by the human host environment. We  will  use  longitudinal  isolates  from  clinical  outbreaks to identify which of the resistant mutations observed in the lab also  appear during pathogen evolution within the human body and which others are  in vivo inaccessible. Comparing evolution  of  pathogens  in  immunocompetent  versus immunosuppressed patients will point to evolutionary constraints imposed by  innate  immunity.  In  summary,  our  proposed  research  will  reveal  the  genotypic  and  phenotypic  constraints  that  govern  evolutionary  pathways  towards  multidrug  resistance,  both  in  the  lab  and  during  long­term  infection  in  humans.  Our  long­term goal is to help design drug regimes that better prevent the emergence of resistance and to develop algorithms  which  based  on  the  database  of  observed mutational­paths will allow genome­based diagnostics of microbial infections  that  can  both  predict  current  resistance  profile  and  anticipate  its  future  evolution.

IC Name
NATIONAL INSTITUTE OF GENERAL MEDICAL SCIENCES
  • Activity
    R01
  • Administering IC
    GM
  • Application Type
    2
  • Direct Cost Amount
    200000
  • Indirect Cost Amount
    13504
  • Total Cost
    213504
  • Sub Project Total Cost
  • ARRA Funded
    False
  • CFDA Code
    999
  • Ed Inst. Type
  • Funding ICs
    NIGMS:213504\
  • Funding Mechanism
    Non-SBIR/STTR RPGs
  • Study Section
    GVE
  • Study Section Name
    Genetic Variation and Evolution Study Section
  • Organization Name
    TECHNION-ISRAEL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
  • Organization Department
  • Organization DUNS
    600133854
  • Organization City
    HAIFA
  • Organization State
  • Organization Country
    ISRAEL
  • Organization Zip Code
    32000
  • Organization District
    ISRAEL