Gene network involved in the development of multidrug resistance in Klebsiella pneumoniae

Abstract

The development of novel drug classes to treat multidrug-resistant bacteria has become limited since the 1980s, underscoring the urgent need for innovative antibiotics. The growing death rate due to antibiotic resistance currently outnumbers other major illnesses, making it a serious global health problem. Bacterial evolution has advanced with the introduction of authorized antibiotics by the Food and Drug Administration, aggravating the antibiotic resistance dilemma and generating considerable financial losses to the medical care system. This study aims to identify potential targets and promising compounds by comparing previous experimental results with bioinformatical and computational methods. The adoption of a combinational approach is proposed as an option to tackle the impact of diseases on global public health by preventing breaking the balance among humans, animals, and nature. Repurposing or partially repurposing current medications provides another unique method with a broad spectrum, a lower risk of resistance development than monotherapy, and efficacy against a wide range of strains. Furthermore, using lower therapeutic dosages reduces adverse effects and improves effectiveness. One of the ESKAPE pathogens, Klebsiella pneumoniae, can cause infections both in hospitals and in the community. In this study, the diverse pathways, characterized by particular gene expression, contribute to the combination therapy mode of action and bacterial survival mechanisms. The computational ANNOgesic tool detects the linkages (noncoding RNAs) that make up a functional network of pathways. In post-transcriptional regulation, regulatory RNA components like riboswitches and RNA thermometers charge an adaptive bacterial response to harsh environmental circumstances. The research also discovered the existence of novel small regulatory RNAs that has connection with target genes and their related genes. These findings will help in finding promising antimicrobial alternatives to treatment. Overall, this study sheds light on the synergistic chemical substances and antibiotics effects, stressing the significance of regulatory RNA elements in responses of bacterial survival. Filtering candidate chemical compounds to locate hit compounds and considering potential analog compounds will expand the range of options for future research. Furthermore, we phased in the molecular dynamics simulation to study the complex system's reaction to perturbed conditions through the physical movements of biomolecules. However, 10 ns MD simulations do not allow enough time for system equilibrium and protein-ligand complex convergence. Increasing confidence in screening candidate compounds necessitates 200 ns MD simulations and MM-PBSA (Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area) or MM-GBSA (Molecular Mechanics Generalized Born Surface Area) binding free energy calculation. In the future, the area of inquiry will be broadened to encompass not only the identification of hit compounds, but also the discovery of related compounds. More research is required in synthetic biology, pharmacology, and biotechnology. This study makes a fundamental proposal for a solution to antibiotic resistance.

1980년대 이후로 다제내성균 치료를 위한 새로운 약물의 개발이 제한되면서 새로운 항생제의 필요성이 긴급히 대두되었습니다. 항생제 내성으로 인한 사망률 증가는 다른 주요 질병의 사망률을 능가하여 전 세계적으로 중요한 임상적 관심사가 되었습니다. 박테리아의 진화 속도는 미국 식품의약국(FDA)이 승인한 항생제의 개발 속도를 앞지르며, 이는 항생제 내성 위기를 심화시키고 전 세계 공중 보건에 해로운 영향을 미치며 의료 산업과 시스템에 상당한 경제적 손실을 초래하고 있습니다. 본 연구의 목적은 이전 실험 결과를 생물정보학 및 컴퓨터 기반 방법론의 결과와 비교하여 잠재적인 표적과 히트 화합물을 찾는 것입니다. 이를 달성하기 위한 전략으로 병용 요법을 적용하였습니다. 기존 약물의 용도 변경 또는 부분 용도 변경은 광범위한 작용 스펙트럼을 제공하며, 단일 요법에 비해 내성 발생 가능성을 감소시키고 다양한 균주에 효과적인 새로운 접근 방식을 제시하였습니다. 또한, 더 낮은 치료 용량으로도 실질적인 효능을 유지하여 부작용을 최소화할 수 있었습니다. ESKAPE 기회감염 병원체로 분류되는 Klebsiella pneumoniae는 병원과 지역사회 감염을 일으켜 위협이 됩니다. 본 연구에서는 ANNOgesic를 사용하여 전사 후 조절에 중요한 역할을 하는 noncoding RNA를 감지하고, 기능적 네트워크를 형성하는 다양한 경로와 riboswitch 및 RNA thermometer와 같은 규제 RNA 요소의 존재를 밝히며 그 관여도를 예측했습니다. 특정 유전자의 발현을 특징으로 하는 이러한 경로는 병용 요법의 치료 효과와 박테리아 생존 전략에 기여합니다. 경로 간의 연결은 환경 변화에 반응하는 regulatory RNA 요소에 의해 촉진됩니다. 이러한 발견은 가혹한 환경 조건에서 박테리아의 적응 반응을 시사합니다. 더욱이, 본 연구는 표적 유전자와 상호작용하는 새로운 small regulatory RNA의 존재를 찾아 잠재적인 항균 치료 후보를 발견하는 데 기여할 것입니다. 전반적으로, 본 연구는 박테리아 반응과 생존 전략에서 규제 RNA 요소의 역할을 강조하며, 화합물과 항생제의 시너지 효과에 대한 귀중한 통찰을 제공하였습니다. 새로운 noncoding RNA의 식별과 표적 유전자, riboswitch 및 RNA thermometer와의 상호작용은 항균 치료법 개발에 대한 가능성을 제시하였습니다. 또한, 히트 화합물 발견을 위한 물리적 및 화학적 성질과 유사도 분석, 단백질-다수 리간드 도킹 연구 과정을 설명하였습니다. 또한, 화합물과 항생제 환경에 있는 시스템의 반응을 연구하기 위해 원자 간의 운동을 연구하는 분자 동역학 시뮬레이션을 도입했습니다. 그러나 10 ns 분자 동역학 시뮬레이션은 시스템 평형 및 단백질-리간드 복합체 형성을 위한 충분한 시간이 아니므로, 신뢰성을 높이기 위해 향후 200 ns의 분자 동역학 시뮬레이션, 사후 분석 및 MM-PBSA (Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area) 또는 MM-GBSA (Molecular Mechanics Generalized Born Surface Area) 결합 자유에너지 평가를 통해 후보 화합물을 필터링하여 히트 화합물을 찾고 잠재적인 유사 화합물 또한 고려하여 향후 연구의 후보 범위를 확장할 수 있었습니다. 앞으로 합성생물학, 약리학, 생명공학 등의 분야에서 추가 연구가 필요합니다. 이 연구를 통해 항생제 내성 문제를 해결하기 위한 향후 연구의 기반을 구축하였습니다.