ABSTRACT
Fluorochinoloni, antibiotici che causano danni al DNA inibendo la DNA topoisomerasi, sono clinicamente importanti, ma il loro meccanismo di azione non è ancora pienamente compreso. In particolare, la risposta dinamica delle cellule batteriche all’esposizione ai fluorochinoloni non è stata studiata, sebbene la risposta SOS, innescata dal danno al DNA, sia spesso ritenuta un ruolo chiave. Qui, abbiamo studiato l’inibizione della crescita del batterio Escherichia coli da parte della ciprofloxacina fluorochinolone a basse concentrazioni. Abbiamo misurato la risposta dinamica a lungo termine e a breve termine del tasso di crescita e del tasso di produzione di DNA alla ciprofloxacina sia a livello di popolazione che a livello di cellule singole. Dimostriamo che, nonostante la complessità molecolare del metabolismo del DNA, un semplice modello roadblock-and-kill incentrato sul blocco della forcella di replicazione e sul danno al DNA da parte della DNA topoisomerasi II avvelenata dalla ciprofloxacina (girasi) riproduce quantitativamente i tassi di crescita a lungo termine in presenza di ciprofloxacina. Il modello prevede anche cambiamenti dinamici nel tasso di produzione del DNA in E. coli wild-type e in un mutante carente di ricombinazione a seguito di un aumento della ciprofloxacina. Il nostro lavoro evidenzia che le cellule batteriche mostrano una risposta ritardata del tasso di crescita dopo l’esposizione ai fluorochinoloni. Soprattutto, il nostro modello spiega perché la risposta è ritardata: ci vogliono molte volte raddoppiando per frammentare il DNA sufficientemente da inibire l’espressione genica. Mostriamo anche che la risposta dinamica è controllata dalla scala temporale della replicazione del DNA e dal legame/unbinding della girasi al DNA piuttosto che dalla risposta SOS, sfidando la visione accettata. Il nostro lavoro evidenzia l’importanza di includere processi biofisici dettagliati in modelli di sistemi biochimici per prevedere quantitativamente la risposta batterica agli antibiotici.