Model-based investigation of Acinetobacter baumannii's metabolic response to antibiotic stress

Abstract

Acinetobacter baumannii bakterisinde, antimikrobiyal direncin artışı, antibiyotik stresi altındaki adaptif mekanizmaların anlaşılmasını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, transkriptomik veriler ile genom ölçekli metabolik modelleri (GSMM) entegre eden bir yaklaşım kullanılarak, farklı A. baumannii suşlarının amikasin sülfat, siprofloksasin, polimiksin-B ve meropenem uygulamalarına verdiği metabolik tepkiler incelenmiştir. Durum-spesifik metabolik modeller, iMAT ve iMATv2 algoritmaları kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tez çalışması içerisinde geliştirilen ve iMAT'ın geliştirilmiş bir versiyonu olan iMATv2 ile, yolak tespitinde hassasiyetin artırılması amaçlanmıştır. iMATv2, bu çalışma kapsamında incelenen suşların nerdeyse tamamında zenginleşmiş bir yolak olarak tiamin (vitamin B1) metabolizmasını, benzersiz şekilde belirlemiştir. Bu yolak, tiamin memeli hücrelerde sentezlenmediği için, potansiyel bir bakteriye özgü ilaç hedefi olabilir. Diferansiyel gen ekspresyon analizi ve raportör metabolit analizi ile, önemi artan metabolik genler ve metabolitler detaylandırılmıştır. Analizler sonucunda, yağ asidi metabolizması, biyotin sentezi ve glikoksilat metabolizmasında önemli ölçüde bozulmalar saptanmıştır. Arjinin ve prolin metabolizması, glisin, serin ve treonin metabolizması ile TCA döngüsünün, tüm antibiyotik uygulamalarında tutarlı bir şekilde etkilendiği belirlenmiştir. Raportör metabolit analizi, antibiyotiklerin fumarat, asetil-glutamat ve UDP gibi önemli metabolitleri etkilediğini göstermiş, bu metabolitlerin enerji üretimi ve stres adaptasyonundaki rollerine dikkat çekmiştir. Polimiksin-B en fazla metabolik bozukluğa neden olan antibiyotik olarak ön plana çıkarken, siprofloksasin'in DNA tamiri ve replikasyon yollarını hedef aldığı gösterilmiştir. Genom ölçekli metabolik modelleri, yolak zenginleştirme araçlarını ve metabolit odaklı analizi birleştiren bu entegre yaklaşım, A. baumannii'nin metabolik tepkilerine kapsamlı bir anlayış sunmaktadır. Bulgular hem genel hem de antibiyotiklere özgü hassas metabolik noktaları ortaya çıkararak, dirençli patojenlerle mücadele için yeni tedavi stratejileri geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.Acinetobacter baumannii bakterisinde, antimikrobiyal direncin artışı, antibiyotik stresi altındaki adaptif mekanizmaların anlaşılmasını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, transkriptomik veriler ile genom ölçekli metabolik modelleri (GSMM) entegre eden bir yaklaşım kullanılarak, farklı A. baumannii suşlarının amikasin sülfat, siprofloksasin, polimiksin-B ve meropenem uygulamalarına verdiği metabolik tepkiler incelenmiştir. Durum-spesifik metabolik modeller, iMAT ve iMATv2 algoritmaları kullanılarak oluşturulmuştur. Bu tez çalışması içerisinde geliştirilen ve iMAT'ın geliştirilmiş bir versiyonu olan iMATv2 ile, yolak tespitinde hassasiyetin artırılması amaçlanmıştır. iMATv2, bu çalışma kapsamında incelenen suşların nerdeyse tamamında zenginleşmiş bir yolak olarak tiamin (vitamin B1) metabolizmasını, benzersiz şekilde belirlemiştir. Bu yolak, tiamin memeli hücrelerde sentezlenmediği için, potansiyel bir bakteriye-özgü ilaç hedefi olabilir. Diferansiyel gen ekspresyon analizi ve raportör metabolit analizi ile, önemi artan metabolik genler ve metabolitler detaylandırılmıştır. Analizler sonucunda, yağ asidi metabolizması, biyotin sentezi ve glikoksilat metabolizmasında önemli ölçüde bozulmalar saptanmıştır. Arjinin ve prolin metabolizması, glisin, serin ve treonin metabolizması ile TCA döngüsünün, tüm antibiyotik uygulamalarında tutarlı bir şekilde etkilendiği belirlenmiştir. Raportör metabolit analizi, antibiyotiklerin fumarat, asetil-glutamat ve UDP gibi önemli metabolitleri etkilediğini göstermiş, bu metabolitlerin enerji üretimi ve stres adaptasyonundaki rollerine dikkat çekmiştir. Polimiksin-B en fazla metabolik bozukluğa neden olan antibiyotik olarak ön plana çıkarken, siprofloksasin'in DNA tamiri ve replikasyon yollarını hedef aldığı gösterilmiştir. Genom ölçekli metabolik modelleri, yolak zenginleştirme araçlarını ve metabolit odaklı analizi birleştiren bu entegre yaklaşım, A. baumannii'nin metabolik tepkilerine kapsamlı bir anlayış sunmaktadır. Bulgular hem genel hem de antibiyotiklere özgü hassas metabolik noktaları ortaya çıkararak, dirençli patojenlerle mücadele için yeni tedavi stratejileri geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.