Abstrakti
fluorokinolonit, antibiootit, jotka aiheuttavat DNA-vaurioita estämällä DNA: n topoisomeraaseja, ovat kliinisesti tärkeitä, mutta niiden vaikutusmekanismia ei vielä täysin tunneta. Erityisesti bakteerisolujen dynaamista vastetta fluorokinolonialtistukselle ei ole juurikaan tutkittu, vaikka DNA-vaurion laukaiseman SOS-vasteen uskotaan usein olevan avainasemassa. Tässä tutkimme Escherichia coli-bakteerin kasvun estämistä fluorokinoloni-siprofloksasiinilla pieninä pitoisuuksina. Mittasimme siprofloksasiinin kasvunopeuden ja DNA: n tuotannon dynaamisen vasteen pitkällä ja lyhyellä aikavälillä sekä populaatiolla että yksisoluisilla pitoisuuksilla. Osoitamme, että DNA: n metabolian molekulaarisesta monimutkaisuudesta huolimatta yksinkertainen tiesulku-ja tappomalli, jossa keskitytään siprofloksasiinilla myrkytetyn DNA: n topoisomeraasi II: n (gyraasi) aiheuttamaan replikaatiohaarukan tukokseen ja DNA-vaurioon, toistuu kvantitatiivisesti pitkän aikavälin kasvunopeudella siprofloksasiinin läsnä ollessa. Malli ennustaa myös dynaamisia muutoksia villin tyypin E. coli-bakteerin ja rekombinaatiopuutteisen mutantin DNA: n tuotantonopeudessa siprofloksasiinin käytön lisäämisen jälkeen. Työmme korostaa, että bakteerisolut osoittavat hidastuneen kasvunopeusvasteen fluorokinolonialtistuksen jälkeen. Mikä tärkeintä, mallimme selittää, miksi vaste viivästyy: DNA: n pirstoutuminen riittävän suureksi estämään geeniekspression, kestää monta kaksinkertaista kertaa. Osoitamme myös, että dynaamista vastetta ohjaa DNA: n replikaation ja gyraasin sitoutumisen/vapautumisen aikataulu eikä SOS-vaste, mikä kyseenalaistaa hyväksytyn näkemyksen. Työmme korostaa, että on tärkeää sisällyttää yksityiskohtaiset biofysikaaliset prosessit biokemiallisiin järjestelmiin, jotta voidaan kvantitatiivisesti ennustaa bakteerien vaste antibiooteille.