Disentangling penicillin resistance and compensatory adaption in pneumococci by combining genomics and molecular microbiology.

Pneumokokker, eller Streptococcus pneumoniae, er en av de viktigste bakteriene som kan gjøre oss syke. De kan forårsake alt fra lungebetennelse og ørebetennelse til mer alvorlige infeksjoner som blodforgiftning og hjernehinnebetennelse. Vanligvis behandles pneumokokkinfeksjoner med penicillin, men vi står overfor et økende problem: flere og flere pneumokokker blir motstandsdyktige mot penicillin. Dette betyr at de ikke lenger lar seg knekke av denne medisinen, noe som skaper store utfordringer for helsevesenet, også her i Norge. Når bakterier blir resistente, må de gjøre endringer i genene sine. Dette gjør at de kan overleve å bli eksponert for penicillin, men det koster dem også noe – de blir litt svakere på andre måter. I dette prosjektet samarbeider forskere ved Norges Miljø- og Biovitenskapelige Universitet (NMBU) og Folkehelseinstituttet (FHI) for å finne ut hvilke gener som endres når pneumokokker blir svært resistente mot penicillin. Målet er å bruke denne kunnskapen til å utvikle nye måter å bekjempe resistente bakterier på. For eksempel, hvis vi kan finne et stoff som blokkerer funksjonen til genene som gir høy penicillinresistens, kan vi gjøre de resistente bakteriene følsomme for penicillin igjen. Dette kan bety at vi fortsatt kan bruke penicillin til å behandle pneumokokkinfeksjoner i fremtiden. Prosjektet ser også på hvordan resistente bakterier sprer seg i Norge, og hvor de kommer fra. Så langt har forskerne DNA-sekvensert over 1000 pneumokokkisolater fra norske pasienter. Mange av disse er resistente mot penicillin, og analyser viser at de har mutasjoner i både kjente og ukjente gener. Noen av de kjente genene koder for enzymer som kalles penicillinbindende proteiner (PBPer). Disse enzymene hjelper bakteriene med å lage celleveggen sin, som beskytter dem. Penicillin virker ved å binde seg til disse enzymene og blokkere dem, slik at bakteriene ikke kan lage cellevegger og dermed ikke kan dele seg. Men når PBPene muterer, binder penicillin seg svakere til dem, og bakteriene blir mer tolerante mot penicillin. Hvordan disse muterte enzymene fortsatt klarer å lage cellevegger, er fortsatt et mysterium. Forskerne studerer nå hvilke av de muterte PBPene som er kritiske for høy resistens, og hvordan mutasjonene påvirker celleveggstrukturen. I tillegg har de funnet mutasjoner i gener med ukjent funksjon. Å finne ut hva disse genene gjør, og hvordan de bidrar til resistens, er også en viktig del av prosjektet.

Pneumococci are major contributors to morbidity and mortality world-wide. The antibiotics of choice for treatment of pneumococcal infections are beta-lactams (including penicillin). However, their superior role as efficient drugs is fading in concert with the accelerating spread of beta-lactam resistance genes. Interestingly, beta-lactam resistant pneumococci must employ less efficient cell-wall synthesizing enzymes (low-affinity PBPs) which impose them a fitness cost that has great therapeutically potential. To become successful resistant clones, they acquire compensating mutations re-establishing their fitness. The proposed project will combine genome-wide association and epistasis analyses with molecular biology providing new knowledge on the mechanisms used by pneumococci to alleviate the fitness cost of being resistant to beta-lactam antibiotics. This will open the way for research aimed at generating more effective beta-lactams that are less prone to resistance development, keeping beta-lactams relevant as effective drugs in the future. By identifying specific pathways, and enzymatic functions required for relieving the fitness cost, it will be possible to screen for small molecules targeting these compensatory mechanisms that can be used in combination with existing beta-lactam antibiotics to sensitize already resistant strains. In our search for fitness cost mutations, we will genome sequence 1500 uncharacterized isolates from Norwegian patients and healthy carriers. This will also answer questions related to the spread and evolution of pneumococcal beta-lactam resistance in Norway, which is largely unknown. It will enhance our ability to trace resistant strains and give knowledge which can help implement strategies to slow the spread of resistant pneumococci in the population.