DOI: https://doi.org/10.1038/s44259-025-00170-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507386
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Orestis Kanaris وآخرون
الموضوع الرئيسي: العوامل المضادة للميكروبات والتطبيقات
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام سلالات بكتيرية متنوعة، بما في ذلك سلالة E. coli MG1655 من النوع البري وطفيراتها المعملية المتطورة المقاومة لـ BAC (المعينة S1 إلى S6). تم زراعة السلالات في وسط M9 الحد الأدنى، الذي يتكون من تركيزات محددة من فوسفات الصوديوم، فوسفات البوتاسيوم، كلوريد الصوديوم، كبريتات الأمونيوم، كبريتات المغنيسيوم، كلوريد الكالسيوم، يوراسيل، ثيامين، وعناصر أثرية، مع إضافة 20 مللي مول من الجلوكوز، عند 37 درجة مئوية مع اهتزاز بسرعة 220 دورة في الدقيقة. تم إضافة مضادات حيوية مثل الأمبيسيلين، سيبروفلوكساسين، جنتاميسين، كبريتات الكولستين، والريفامبيسين إلى الوسائط حسب الحاجة.
لإدخال بروتينات فلورية في سلالات E. coli، تم استخدام وسط لوريا-بيرتاني (LB)، تلاه استخدام مرق فائق الأمثل (SOC) بعد التحول. تم بدء نقل الترانسبوزون الذي يحمل جينات البروتين الفلوري إلى الحمض النووي الجينومي عن طريق إضافة 0.1% من الأرابينوز إلى وسط LB. تم إجراء تخفيفات متسلسلة باستخدام محلول ملحي معزز بالفوسفات (PBS)، وتم إجراء الزرع على وسط LB مع 1.5% من الأجار، مع الحضانة عند 37 درجة مئوية طوال الليل ما لم يُذكر خلاف ذلك.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة أن التركيزات الفرعية المثبطة من سيبروفلوكساسين (CIP) يمكن أن تختار سلالة مقاومة للمبيدات الحيوية من E. coli (S4) في المنافسة مع سلفها من النوع البري (WT). في تجارب المنافسة، أظهرت S4 ميزة تنافسية على WT في وجود تركيزات متزايدة من CIP، مع تركيز انتقائي أدنى (MSC) لـ S4 يتراوح بين 0.0013 إلى 0.0022 ميكروغرام/مل، وهو أقل بكثير من التركيز المثبط الأدنى (MIC) لـ WT (0.01 ميكروغرام/مل). بالمقابل، لم تفضل مضادات حيوية أخرى مثل الأمبيسيلين (AMP)، الكولستين (COL)، والجنتاميسين (GEN) السلالة المقاومة لـ BAC، مما يشير إلى أن الميزة الانتقائية التي يمنحها تحمل BAC محددة لبعض المضادات الحيوية وآليات عملها.
كشفت التحقيقات الإضافية في قابلية تطور مقاومة المضادات الحيوية أن السلالة المقاومة لـ BAC S4 أظهرت انخفاضًا في قابلية التطور تجاه CIP، COL، وGEN مقارنة بـ WT، على الرغم من ميزتها التنافسية تحت ظروف CIP الفرعية المثبطة. وهذا يشير إلى أن التكيفات التي تمنح تحمل BAC قد تحد من الإمكانية لتطور مقاومة لاحقة للمضادات الحيوية. حددت التحليلات الجينية الطفرات في الجينات المتعلقة بتخليق الدهون A (lpxM وlpxL) ومنظم الاستجابة العامة للإجهاد (rssB) في السلالات المقاومة لـ BAC، والتي قد تسهم في محدودية قابليتها للتطور. تسلط الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين تحمل المبيدات الحيوية وتطور مقاومة المضادات الحيوية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح الآليات الجزيئية الأساسية.
المناقشة
تبحث الدراسة في تداعيات تحمل كلوريد البنزالكونيوم (BAC) في *Escherichia coli* على ديناميات الاختيار وتطور مقاومة المضادات الحيوية. تكشف الدراسة أن السلالات المقاومة لـ BAC تظهر ميزة تنافسية على السلالات الحساسة لـ BAC عند تعرضها لتركيزات فرعية مثبطة من سيبروفلوكساسين، بينما من المرجح أن تتطور الأخيرة لمقاومة لمضادات حيوية متعددة، بما في ذلك سيبروفلوكساسين، الكولستين، والجنتاميسين. يُعزى هذا الاختلاف في قابلية التطور جزئيًا إلى تفاعل إبستاتي يتضمن طفرات في بروتين القناة الغشائية الخارجية F (ompF)، الذي يعد ضروريًا لامتصاص المضادات الحيوية. تشير النتائج إلى أنه بينما يمكن أن يستقر تحمل BAC في البيئات ذات التركيزات المنخفضة من سيبروفلوكساسين، فإنه يقيّد في الوقت نفسه المسارات التطورية نحو مقاومة المضادات الحيوية.
تؤكد الدراسة على المخاطر المحتملة المرتبطة بالاستخدام الواسع للمبيدات الحيوية مثل BAC، خاصة في البيئات التي تتواجد فيها المضادات الحيوية أيضًا، مثل المستشفيات ومرافق معالجة مياه الصرف. قد لا تؤدي ظهور سلالات مقاومة لـ BAC إلى تقويض فعالية المبيدات الحيوية فحسب، بل تعيق أيضًا تطوير مقاومة المضادات الحيوية، حيث أن هذه السلالات أقل احتمالًا لاكتساب طفرات تمنح مستويات عالية من المقاومة بسبب التفاعلات الإيجابية السلبية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على التفاعل المعقد بين تحمل المبيدات الحيوية وتطور مقاومة المضادات الحيوية، مما يبرز الحاجة إلى النظر بعناية في استخدام المبيدات الحيوية في البيئات التي تزداد فيها مخاوف مقاومة المضادات الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44259-025-00170-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507386
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Orestis Kanaris et al.
Primary Topic: Antimicrobial agents and applications
Methods
In this study, various bacterial strains, including the wild-type E. coli MG1655 and its laboratory-evolved BAC-tolerant mutants (designated S1 to S6), were utilized. The strains were cultured in M9 minimal medium, which comprises specific concentrations of sodium phosphate, potassium phosphate, sodium chloride, ammonium sulfate, magnesium sulfate, calcium chloride, uracil, thiamine, and trace elements, supplemented with 20 mM glucose, at 37 °C with shaking at 220 rpm. Antibiotics such as ampicillin, ciprofloxacin, gentamicin, colistin sulfate, and rifampicin were added to the media as needed.
For the introduction of fluorescent proteins into the E. coli strains, Luria-Bertani (LB) medium was employed, followed by the use of super optimal broth (SOC) post-transformation. The transposition of the transposon carrying fluorescent protein genes into the genomic DNA was initiated by the addition of 0.1% arabinose to the LB medium. Serial dilutions were performed using phosphate-buffered saline (PBS), and plating was conducted on LB medium with 1.5% agar, with incubation at 37 °C overnight unless otherwise specified.
Results
The results of the study demonstrate that subinhibitory concentrations of ciprofloxacin (CIP) can select for a biocide-tolerant strain of E. coli (S4) in competition with its wild-type (WT) ancestor. In competition experiments, S4 exhibited a fitness advantage over WT in the presence of increasing CIP concentrations, with a minimum selective concentration (MSC) for S4 ranging from 0.0013 to 0.0022 µg/mL, significantly lower than the minimum inhibitory concentration (MIC) of the WT (0.01 µg/mL). In contrast, other antibiotics such as ampicillin (AMP), colistin (COL), and gentamicin (GEN) did not favor the BAC-tolerant strain, indicating that the selective advantage conferred by BAC tolerance is specific to certain antibiotics and their mechanisms of action.
Further investigations into the evolvability of antibiotic resistance revealed that the BAC-tolerant strain S4 exhibited decreased evolvability to CIP, COL, and GEN compared to the WT, despite its competitive advantage under subinhibitory CIP conditions. This suggests that adaptations conferring BAC tolerance may limit the potential for subsequent resistance evolution to antibiotics. Genetic analyses identified mutations in genes related to lipid A biosynthesis (lpxM and lpxL) and the general stress response regulator (rssB) in BAC-tolerant strains, which may contribute to their restricted evolvability. The study highlights the complex interplay between biocide tolerance and antibiotic resistance evolution, emphasizing the need for further research to elucidate the underlying molecular mechanisms.
Discussion
The research investigates the implications of benzalkonium chloride (BAC) tolerance in *Escherichia coli* on the dynamics of selection and the evolution of antibiotic resistance. The study reveals that BAC-tolerant strains exhibit a competitive advantage over BAC-sensitive strains when exposed to subinhibitory concentrations of ciprofloxacin, while the latter is more likely to evolve resistance to multiple antibiotics, including ciprofloxacin, colistin, and gentamicin. This differential evolvability is partly attributed to an epistatic interaction involving mutations in the outer membrane porin F (ompF), which is crucial for antibiotic uptake. The findings suggest that while BAC tolerance can stabilize in environments with low ciprofloxacin concentrations, it simultaneously constrains the evolutionary pathways toward antibiotic resistance.
The study underscores the potential risks associated with the widespread use of biocides like BAC, particularly in settings where antibiotics are also present, such as hospitals and wastewater treatment facilities. The emergence of BAC-tolerant strains may not only compromise the effectiveness of biocides but also hinder the development of antibiotic resistance, as these strains are less likely to acquire mutations that confer high levels of resistance due to negative epistatic interactions. Overall, the research highlights the complex interplay between biocide tolerance and antibiotic resistance evolution, emphasizing the need for careful consideration of biocide use in environments where antibiotic resistance is a growing concern.