菌群结构对细菌程序性死亡过程中耐药性产生的机制研究

In nature, the heterogeneity of population structure, e.g. the cell number and frequency of cooperator and cheater within the population, is critical to the global antibiotic resistance. It has been reported that the cooperators could increase the resistant level by releasing the antibiotic hydrolase into the surrounding environment, via suicide. This is termed as programmed cell death dependent resistance. However, the correlation between such resistance and population structure is still unknown. We have preliminarily studied the bacterial programmed cell death, combining with our current mathematical predictions, We speculate that the global resistance will be increased in presence of high heterogeneity of population structure. Otherwise, it will be lowered. In order to validate this hypothesis, we will breakthrough the current technical limitations, by integrating synthetic biology to simplify the natural system, and droplet technology to simulate the varied population structures, thus eventually to evaluate and justify the effects of population structure on the antibiotic resistance during the programmed cell death. This proposal will provide new clues for the mechanism of antibiotic resistance in nature, and furthermore, pave a new way to fight against this notorious issue.

自然界里，细菌种群中合作者（Cooperator）和欺骗者（Cheater）数目与丰度的分布结构差异性对菌群耐药性的产生十分重要。研究发现细菌种群中的合作者能够通过自身裂解释放抗生素水解酶，从而使整体菌群产生耐药性。该现象被称为程序性死亡依赖的耐药性生成，但其与菌群结构的相关性尚不明确。申请人已经初步研究了细菌的程序性死亡过程，结合前期建立的数学模型，推测在高差异性的菌群结构条件下，细菌的程序性死亡会导致菌群耐药性增加，反之，则会降低。为了验证该科学假说，本项目拟突破传统研究手段的限制，采用合成生物学方法简化自然界复杂的程序性死亡系统，并利用高通量微液滴技术产生不同差异性的菌群结构，从而评价和证实菌群结构对程序性死亡过程中耐药性产生的机制。该项目的实施将为理解自然界菌群耐药性的形成机制提供线索，进而为对抗耐药菌提供新的思路。

自然界里，细菌种群中合作者（Cooperator）和欺骗者（Cheater）数目与丰度的分布结构差异性对菌群耐药性的产生十分重要。研究发现细菌种群中的合作者能够通过自身裂解释放抗生素水解酶，从而使整体菌群产生耐药性。该现象被称为程序性死亡依赖的耐药性生成，但其与菌群结构的相关性尚不明确。申请人根据对程序化死亡的前期研究结果，结合前期建立的数学模型，推测在强差异性的菌群结构条件下，细菌的程序性死亡会导致菌群耐药性增加，反之，则会降低。为了验证该科学假说，本项目突破传统研究手段的限制，采用合成生物学方法简化自然界复杂的程序性死亡系统并表征，优化前期所构建数学模型，开发多功能的微液滴技术平台，并利用自动化平台产生不同差异性的菌群结构，从而评价和证实菌群结构对程序性死亡过程中耐药性产生的机制。结果发现，在强瓶颈结构（strong bottleneck）下，合作者菌株会成为优势菌株，并随着抗生素处理次数的增多，这种优势逐渐增大。同时，我们也研究了两个菌株不同初始混合比例，公共有益产物，抗生素浓度等因素对所需瓶颈结构强度的影响。本项目的实施为理解自然界菌群耐药性的形成机制提供线索，进而为对抗耐药菌提供新的思路。