Proteomic analysis of the decreased antibiotic resistance in Staphylococcus aureus under PemK toxin activation

Staphylococcus aureus to naturalny element mikrobiomu człowieka. Jest on jednocześnie patogenem oportunistycznym, co oznacza, że w sprzyjających warunkach może doprowadzać do infekcji tkanek, w które zasiedla. Z uwagi na zdolność syntezy licznych czynników wirulencji, a także niezwykły potencjał do nabywania oporności na antybiotyki bywa patogenem bardzo trudnym do zwalczenia. Niepokojący wzrost liczby antybiotykoopornych szczepów S. aureus na świecie wymaga uwagi i skupienia wysiłków na poszukiwaniu nowych strategii leczenia. Jedną z takich strategii może stanowić wykorzystanie systemów toksyna-antytoksyna (TA), czyli genetycznych elementów genomów bakterii, które biorą udział między innymi w odpowiedzi komórki na stres środowiskowy. Aktywacja toksyny systemu TA powoduje zahamowanie wzrostu bakterii, może także u szczepów antybiotykoopornych prowadzić do zwiększenia wrażliwości na antybiotyki. Wobec powyższego może stanowić potencjalne narzędzie w walce z gronkowcem złocistym.Nadrzędnym celem niniejszej pracy było zbadanie zmian zachodzących w proteomie metycylinoopornego S. aureus USA300/3956/13 wywołanych aktywacją toksyny PemK z systemu PemIK. Kolejny cel stanowiło fizjologiczne powiązanie tych zmian z potencjalnym spadkiem poziomu antybiotykooporności. Wykorzystując w badaniach technikę dwuwymiarowej elektroforezy różnicowej (2D DIGE) i wysokorozdzielczą spektrometrię mas (MS) zaobserwowano obniżenie poziomu ekspresji wielu białek metabolizmu podstawowego wpływających na procesy wzrostu komórek wariantów z aktywną toksyną PemK. Interesujące w kontekście spadku poziomu oporności S. aureus USA300/3956/13 na beta-laktamy były niedobory białek zaangażowanych w syntezę peptydoglikanu. Być może to dzięki osłabieniu procesów syntezy peptydoglikanu na drodze aktywacji toksyny PemK, udało się podnieść poziom wrażliwości gronkowca MRSA na antybiotyki beta-laktamowe.Staphylococcus aureus is a natural element of the human microbiome. It is also an opportunistic pathogen, which means that under favorable conditions, it can cause tissue infections in the areas it colonizes. Due to its ability to synthesize numerous virulence factors and its remarkable potential to acquire antibiotic resistance, it can be a challenging pathogen to combat. The alarming increase in the number of antibiotic- resistant strains of S. aureus worldwide requires attention and focused efforts in searching for new treatment strategies. One such strategy may involve the utilization of toxin- antitoxin (TA) systems, which are genetic elements of bacterial genomes that participate, among others, in the cell's response to environmental stress. Activation of the toxin in a TA system inhibits bacterial growth and may also lead to increased antibiotic susceptibility in antibiotic-resistant strains. Therefore, it can potentially serve as a tool in fighting Staphylococcus aureus infections.The main objective of this study was to investigate the changes occurring in the proteome of methicillin-resistant S. aureus USA300/3956/13 induced by the activation of the PemK toxin from the PemIK system. Another aim was to physiologically link these changes to a potential decrease in antibiotic resistance levels. Using two-dimensional difference gel electrophoresis (2D DIGE) technique and high-resolution mass spectrometry (MS), a decrease in the expression level of several proteins involved in basic metabolism affecting cell growth processes was observed in variants carrying the active PemK toxin. Of particular interest, in the context of the decreased resistance level of S. aureus USA300/3956/13 to beta-lactams, were the deficiencies in proteins involved in peptidoglycan synthesis. It is possible that by weakening the peptidoglycan synthesis processes through the activation of the PemK toxin, the sensitivity of MRSA to beta- lactam antibiotics was enhanced