ABSTRACT
fluorochinolonen, antibiotica die DNA-schade veroorzaken door remming van DNA-topoisomerasen, zijn klinisch belangrijk, maar het werkingsmechanisme ervan is nog niet volledig begrepen. In het bijzonder is de dynamische respons van bacteriële cellen op blootstelling aan fluorochinolonen nauwelijks onderzocht, hoewel vaak wordt aangenomen dat de SOS-respons, veroorzaakt door DNA-schade, een sleutelrol speelt. Hier onderzochten we de groeiremming van de bacterie Escherichia coli door het fluorochinolon ciprofloxacine in lage concentraties. We hebben de dynamische respons op lange en korte termijn van de groeisnelheid en de DNA-productiesnelheid op ciprofloxacine gemeten, zowel op het niveau van de populatie als op dat van eencelligen. We laten zien dat, ondanks de moleculaire complexiteit van het DNA-metabolisme, een eenvoudig wegblokkeringsmodel gericht op replicatie-vork blokkering en DNA-schade door ciprofloxacine-vergiftigde DNA topoisomerase II (gyrase) kwantitatief de groeicijfers op lange termijn reproduceert in aanwezigheid van ciprofloxacine. Het model voorspelt ook dynamische veranderingen in de DNA-productiesnelheid bij wild-type E. coli en in een recombinatiedeficiënte mutant na een stap-up van ciprofloxacine. Ons werk benadrukt dat bacteriële cellen een vertraagde groeirespons vertonen na blootstelling aan fluorochinolonen. Het belangrijkste is dat ons model verklaart waarom de reactie vertraagd is: het duurt vele verdubbelingen om het DNA voldoende te fragmenteren om genexpressie te remmen. We laten ook zien dat de dynamische respons wordt gecontroleerd door de tijdschaal van DNA-replicatie en gyrase binding/unbinding aan het DNA in plaats van door de SOS-respons, het uitdagen van de geaccepteerde mening. Ons werk benadrukt het belang van het opnemen van gedetailleerde biofysische processen in biochemische systeemmodellen om de bacteriële respons op antibiotica kwantitatief te voorspellen.