Russian Journal of GeneticsRussian Journal of GeneticsГенетика0016-67583034-5103The Russian Academy of Sciences66718710.31857/S0016675824100105wepzufКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯShort CommunicationTetracycline Induction of Natural Drug Resistance to Bedaquiline in Mycobacterium smegmatis mc2 155Тетрациклиновая индукция природной лекарственной устойчивости к бедаквилину у Mycobacterium smegmatis mc2 155VatlinA. A.ВатлинА. А.
Russian Federation
vatlin_alexey123@mail.ruTsybizovD. A.ЦыбизовД. А.
Russian Federation
vatlin_alexey123@mail.ruLetvinovaV. S.ЛетвиноваВ. С.
Russian Federation
vatlin_alexey123@mail.ruDanilenkoV. N.ДаниленкоВ. Н.
Russian Federation
vatlin_alexey123@mail.ruPeoples’ Friendship University of RussiaРоссийский университет дружбы народов им. Патриса ЛумумбыVavilov Institute of General Genetics Russian Academy of SciencesИнститут общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук16102024601011111626022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0016-6758/article/view/667187

The emergence of antibiotic resistance in microorganisms, including mycobacteria, poses a serious problem in modern medicine, reducing treatment effectiveness. In the modern world, there is considerable discussion about the influence of minimal selective concentrations of antibiotics (MSC), which are significantly lower than classical minimal inhibitory concentrations (MIC), on the emergence of antibacterial resistance. It is assumed that such microconcentrations may act as an additional mechanism for selecting drug-resistant strains, which is particularly relevant due to the accumulation of antibiotic concentrations in the environment as a result of human activity. In the context of mycobacteria, understanding the processes of induction of resistance to antibiotics at the MSC level is especially important for the development of effective treatment strategies and control of the spread of drug resistance. The aim of this study was to investigate the induction of the natural drug resistance system in mycobacteria under the influence of concentrations significantly lower than standard MIC and not affecting cell growth. The resistance of Mycobacterium smegmatis mc2 155 to one of the main antibiotics used in medical practice, bedaquiline, was analyzed during induction by tetracycline, ofloxacin, and kanamycin. It was established that one of the mechanisms influencing the change in sensitivity of the M. smegmatis mc2 155 strain during induction by microconcentrations of tetracycline is the antibiotic efflux system – MmpS5-Mmpl5.

Возникновение антибиотикорезистентности у микроорганизмов, включая микобактерии, представляет собой серьезную проблему в современной медицине, снижая эффективность лечения. В современном мире довольно широко обсуждается влияние на возникновение антибактериальной устойчивости минимальных селективных концентраций антибиотиков (МСК), которые значительно ниже классических минимальных ингибирующих концентраций (МИК). Предполагается, что такие микроконцентрации могут являться дополнительным механизмом отбора лекарственно устойчивых штаммов, что особенно актуально в связи с накоплением концентраций антибиотиков в окружающей среде в результате антропогенной деятельности. В контексте микобактерий понимание процессов индукции устойчивости к антибиотикам на уровне МСК является особенно важным для разработки эффективных стратегий лечения и контроля распространения лекарственной устойчивости. Цель данной работы – изучение индукции системы природной лекарственной устойчивости у микобактерий при воздействии на клетку концентрациями, значительно ниже стандартных МИК, не влияющими на рост клетки. Был проведен анализ устойчивости Mycobacterium smegmatis mc2 155 к одному из основных антибиотиков второго ряда, применяемых в медицинской практике, – бедаквилину, при индукции тетрациклином, офлоксацином и канамицином. Установлено, что одним из механизмов, влияющим на изменение чувствительности штамма M. Smegmatis mc2 155 при индукции микроконцентрациями тетрациклина, является система выброса антибиотика из клетки – MmpS5-Mmpl5.

antibioticsnatural drug resistanceresistomemycobacteriaMycobacterium smegmatis mc2 155MmpS5-Mmpl5антибиотикиприродная лекарственная устойчивостьрезистоммикобактерииMycobacterium smegmatis mc2 155MmpS5-Mmpl5Российский научный фонд (гранд)Russian Science Foundation (grand)22-74-00066Larsson D.G.J., Flach C.F. Antibiotic resistance in the environment: 5 // Nat. Rev. Microbiol. 2022. V. 20. № 5. P. 257–269. doi: 10.1038/s41579-021-00649-xHjort K., Fermér E., Tang P.C., Andersson D.I. Antibiotic minimal selective concentrations and fitness costs during biofilm and planktonic growth // mBio. Am. Soc. for Microbiology, 2022. V. 13. № 3. doi: 10.1128/mbio.01447-22Stanton I.C., Murray A.K., Zhang L. et al. Evolution of antibiotic resistance at low antibiotic concentrations including selection below the minimal selective concentration: 1 // Commun. Biol. 2020. V. 3. № 1. P. 1–11. doi: 10.1038/s42003-020-01176-wSwinkels A.F., Fischer E.A.J., Korving L. et al. Defining minimal selective concentrations of amoxicillin, doxycycline and enrofloxacin in broiler-derived cecal fermentations by phenotype, microbiome and resistome // bioRxiv, 2023. doi: 10.1101/2023.11.21.568155Gullberg E., Cao S., Berg O.G. et al. Selection of resistant bacteria at very low antibiotic concentrations // PLoS Pathog. 2011. V. 7. № 7. doi: 10.1371/journal.ppat.1002158Gullberg E., Albrecht L.M., Karlsson C. et al. Selection of a multidrug resistance plasmid by sublethal levels of antibiotics and heavy metals // mBio. 2014. V. 5. № 5. doi: 10.1128/mBio.01918-14Liu A., Fong A., Becket E. et al. Selective advantage of resistant strains at trace levels of antibiotics: А simple and ultrasensitive color test for detection of antibiotics and genotoxic agents // Antimicrob. Agents Chemother. 2011. V. 55. № 3. P. 1204–1210. doi: 10.1128/AAC.01182-10Sandegren L. Selection of antibiotic resistance at very low antibiotic concentrations // Ups. J. Med. Sci. 2014. V. 119. № 2. P. 103–107. doi: 10.3109/03009734.2014.904457.Vatlin A.A., Bekker O.B., Shur K.V. et al. Kanamycin and ofloxacin activate the intrinsic resistance to multiple antibiotics in Mycobacterium smegmatis // Biology (Basel). 2023. V. 12. № 4. doi: 10.3390/biology12040506Прозоров А., Даниленко В. Системы “токсин-антитоксин” у бактерий: инструмент апоптоза или модуляторы метаболизма? // Микробиология. 2010. Т. 79. № 2. С. 147–159.Прозоров А.А., Федорова И.В., Беккер О.Б., Даниленко В.Н. Факторы вирулентности Mycobacterium tuberculosis: генетический контроль, новые концепции // Генетика. 2014. Т. 50. № 8. С. 885.Maslov D.A., Shur K.V., Vatlin A.A., Danilenko V.N. MmpS5-MmpL5 transporters provide mycobacterium smegmatis resistance to imidazo[1,2-b][1,2,4,5]tetrazines // Pathogens. 2020. V. 9. № 3. doi: 10.3390/pathogens9030166Шур К.В., Фролова С.Г., Акимова Н.И., Маслов Д.А. Тест-система для in vitro скрининга кандидатов в антимикобактериальные препараты на устойчивость, опосредованную mmps5-mmpl5-транспортерами // Генетика. 2021. T. 57. № 1. С. 108–111. doi: 10.1134/S1022795421010154Yamamoto K., Nakata N., Mukai T. et al. Coexpression of MmpS5 and MmpL5 contributes to both efflux transporter MmpL5 trimerization and drug resistance in Mycobacterium tuberculosis // mSphere. 2021. V. 6. № 1. doi: 10.1128/mSphere.00518-20Shahbaaz M., Maslov D.A., Vatlin A.A. et al. Repurposing based identification of novel inhibitors against MmpS5-MmpL5 efflux pump of Mycobacterium smegmatis: A combined in silico and in vitro study // Biomedicines. 2022. V. 10. № 2. doi: 10.3390/biomedicines10020333Deng W., Li C., Xie J. The underling mechanism of bacterial TetR/AcrR family transcriptional repressors // Cell Signal. 2013. V. 25. № 7. P. 1608–1613. doi: 10.1016/j.cellsig.2013.04.003Richard M., Gutiérrez A.V., Viljoen A.J. et al. Mechanistic and structural insights into the unique tetr-dependent regulation of a drug efflux pump in Mycobacterium abscessus // Front. Microbiol. 2018. V. 9. doi: 10.3389/fmicb.2018.00649Andries K., Villellas C., Coeck N. et al. Acquired resistance of Mycobacterium tuberculosis to bedaquiline // PloS One. 2014. V. 9. № 7. doi: 10.1371/journal.pone.0102135Hartkoorn R.C., Uplekar S., Cole S.T. Cross-resistance between clofazimine and bedaquiline through upregulation of MmpL5 in Mycobacterium tuberculosis // Antimicrob. Agents Chemother. 2014. V. 58. № 5. P. 2979–2981. doi: 10.1128/AAC.00037-142CFR – Code of Federal Regulations Title 21. URL: https://www.accessdata.fda.gov/scripts/cdrh/cfdocs/cfcfr/CFRSearch.cfm?CFRPart=556&showFR=1&subpartNode=21:6.0.1.1.18.2 (accessed: 06.03.2023).