JPIAMR-JPI Antimikrobiell resistens

Antimikrobiell resistens er en av de mest presserende utfordringene global helse står overfor i dag. Spesielt er det lav- og mellominntektsland som bærer hovedtyngden av denne krisen, der misbruk og overbruk av antibiotika har akselerert fremveksten av resistente stammer. Blant de mest formidable av disse er ESKAPE-patogenene: Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa og Enterobacter-arter. Disse bakteriene er kjent for deres evne til å unngå effekten av antibiotika, noe som gjør infeksjoner vanskelige å behandle og øker risikoen for alvorlige utfall. AntiRYB-prosjektet, et innovativt forskningsinitiativ, søker å takle dette problemet direkte ved å utvikle en banebrytende gjærbasert biosensor. Denne biosensoren utnytter den vanlige gjæren Saccharomyces cerevisiae, som har blitt genmodifisert for å uttrykke konstruerte G-proteinkoblede reseptorer (GPCR). Disse GPCR-ene er designet for å oppdage spesifikke peptider som indikerer tilstedeværelsen av bestemte patogener. Når GPCR-ene gjenkjenner disse peptidene, setter de i gang en rekke reaksjoner inne i gjærcellen som til slutt fører til produksjon av et rødt pigment. Utseendet til dette pigmentet fungerer som en enkel, synlig indikator på forurensning av karbapenemase-produserende bakteriestammer, som er blant de farligste på grunn av deres motstand mot antibiotika i siste utvei. Utviklingen av denne biosensoren er forankret i tre sentrale forskningsområder. Først ble molekylære modellerings- og dockingstudier utført for å identifisere og optimalisere restene i gjæren GPCR Ste2, og forbedre dens sensitivitet og spesifisitet for målpeptider. Dette arbeidet la grunnlaget for å lage en svært effektiv reseptor. Deretter ble en sofistikert screeningsplattform utviklet. Dette innebar å konstruere en gjærstamme som kunne være vert for et bibliotek av GPCR-varianter. Gjennom high-throughput screeningmetoder, inkludert fluorescensaktivert cellesortering (FACS), identifiserte forskere reseptorvarianter som reagerte robust på målpeptidene. Denne fasen var avgjørende for å sikre at biosensoren pålitelig kunne oppdage tilstedeværelsen av antimikrobielle resistente patogener. Til slutt ga proteomisk analyse av kliniske stammer av Pseudomonas aeruginosa dypere innsikt i mekanismene for antibiotikaresistens. Ved å sammenligne proteomene til resistente og ikke-resistente stammer under forskjellige forhold, identifiserte teamet nøkkelproteiner og veier involvert i resistens. Denne kunnskapen informerte ikke bare utformingen av biosensorene, men fremhevet også potensielle mål for fremtidige terapeutiske intervensjoner. I møte med COVID-19-pandemien har betydningen av infeksjonskontroll aldri vært mer tydelig. AntiRYB-prosjektgruppen har aktivt kommunisert betydningen av å bekjempe antibiotikaresistens, spesielt i en tid hvor bruken av antibakterielle produkter har økt. Deres innsats inkluderer offentlige presentasjoner og artikler rettet mot å øke bevisstheten om det presserende behovet for raske, effektive deteksjonsmetoder for antimikrobiell resistens. Fremskrittene oppnådd av AntiRYB-prosjektet representerer et betydelig skritt fremover i kampen mot resistente patogener. Ved å utvikle en gjærbasert biosensor som er både svært sensitiv og enkel å bruke, tilbyr dette prosjektet et lovende verktøy for å forbedre biosikkerhet og sykdomsovervåking over hele verden. Det endelige målet er å distribuere disse biosensorene i ulike omgivelser, fra sykehus til gårder, noe som muliggjør rask og nøyaktig påvisning av farlige bakterier og bidrar til å dempe spredningen av antibiotikaresistens.

The AntiRYB project has achieved significant technical milestones across its three main areas of focus. In molecular modeling and docking, we identified and optimized key residues in the yeast GPCR Ste2, leading to the design of receptor variants with improved sensitivity and specificity to target peptides. This advancement enabled the construction of a robust GPCR screening platform in Saccharomyces cerevisiae. Through strategic mutagenesis and high-throughput FACS screening, we identified promising receptor variants responsive to specific antimicrobial resistance markers. In parallel, the proteomics analysis of clinical strains of Pseudomonas aeruginosa provided an in-depth understanding of the proteomic changes associated with Imipenem resistance, revealing key resistance mechanisms and potential therapeutic targets. These findings facilitated the development of highly sensitive and specific yeast-based biosensors capable of detecting resistant pathogens and their resistance mechanisms. These biosensors have the potential to be deployed for rapid, on-site detection of pathogens in various settings, significantly enhancing biosecurity and disease surveillance. The technical achievements of the AntiRYB project thus contribute to advancing synthetic biology and antimicrobial resistance research while paving the way for practical applications in pathogen detection and control.

Early and specific detection of microbial infections is crucial for the containment of diseases and for reducing the dependence on the use of antibiotics. There is however a lack of reliable, cheap and easy to use detection methods for day-to-day monitoring of infection and antimicrobial resistance in samples from patients, animals and the environment. This deficiency is critical for the abuse of antibiotics and the diffusion of antimicrobial resistance. The aim of this project is to establish a method based on yeast biosensors that will detect with high specificity pathogens from different sources to develop a new, fast and specific diagnostic tool for resistant pathogens as well as specific bacterial species. We will achieve this by joining together strong research groups on antimicrobial resistance, systems biology, and strain engineering at SINTEF, Chalmers University and National Medicines Institute. Particular focus will be given to the detection of ESBL or carbapenemase-producing strains belonging to the emerging ESKAPE group of resistant pathogens. The biosensor is developed using the yeast Saccharomyces cerevisiae as host, which will be engineered to express specific receptors able to recognise unique molecules produced by the pathogens. The ligand-receptor binding initiates a cascade mechanism that activates the genes for the production of a red pigment visible to the naked eye. Using the biosensors, we aim to identify molecular markers specific for resistant pathogen strains, to enable fast, easy and inexpensive point-of-use profiling of resistant pathogens.