A Network Biology Approach to Antibiotic Action and Bacterial Defense Mechanisms

抗生素作用和细菌防御机制的网络生物学方法

基本信息

项目摘要

The goal of this project is to use innovative systems biology and synthetic biology approaches to quantitatively characterize and analyze bacterial gene regulatory networks underlying cellular responses to antibiotics, the formation of persisters and the emergence of resistance. With the alarming spread of antibiotic-resistant strains of bacteria, a better understanding of the specific sequences of events leading to cell death from bactericidal antibiotics is needed for future antibacterial drug development. Accordingly, there is a need for systems biology and synthetic biology approaches to discern the interplay between genes, proteins and pathways in furthering our understanding of how bacteria respond and defend themselves against antibiotics. The implications of the underlying logic of genetic networks are difficult to deduce through experimental techniques alone, and successful approaches will in many cases, involve the union of new experiments and computational modeling techniques. To address this problem, we have developed computational-experimental methods that enable construction of quantitative models of gene, protein and metabolite regulatory networks using expression measurements and no prior information on the network structure or function. In this project, we will use these approaches to reverse engineer bacterial gene regulatory networks underlying cellular responses to antibiotics, the formation of persisters and the emergence of resistance. The resulting networks and pathways will be analyzed to gain insight into the regulatory control of the associated biological processes, and the network models will be used to identify key regulators and mediators for a variety of phenotypic responses. This work could lead to new insights into the stress response of bacteria and the identification of novel targets for drug discovery, e.g., ones that overcome bacterial protective mechanisms or activate bacterial programmed cell death. This project may thus enable the development of novel classes of antibiotics that account for and utilize the complex regulatory properties of genetic networks.
该项目的目的是使用创新的系统生物学和合成生物学方法来 定量表征和分析细菌调节网络的细菌基因调节网络 对抗生素的反应,持久的形成和抵抗的出现。与 抗生素耐药菌菌株的惊人传播,更好地理解特定 将来需要导致细胞死亡的细胞死亡的事件序列 抗菌药物开发。因此,需要系统生物学和合成 生物学方法是辨别基因,蛋白质和途径之间的相互作用的方法 我们对细菌如何反应和抗生素的理解。这 遗传网络基础逻辑的含义很难通过 仅实验技术,在许多情况下,成功的方法将涉及工会 新实验和计算建模技术。为了解决这个问题,我们有 开发的计算实验方法,可以构建定量模型 基因,蛋白质和代谢物调节网络的使用,没有表达测量,没有先验 有关网络结构或功能的信息。在这个项目中,我们将使用这些方法来 逆向工程师细菌基因调节网络对抗生素的反应,抗生素, 毅力的形成和抵抗的出现。最终的网络和 将分析途径,以深入了解相关生物学的调节控制 流程和网络模型将用于确定关键调节器和调解人 各种表型反应。这项工作可能会导致对压力反应的新见解 细菌和对药物发现的新靶标的鉴定,例如克服的靶标 细菌保护机制或激活细菌编程的细胞死亡。这个项目可能 因此,可以开发新颖的抗生素类别,以说明并利用 遗传网络的复杂调节特性。

项目成果

期刊论文数量(28)
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How antibiotics kill bacteria: from targets to networks.
Synthetic gene networks that count.
  • DOI:
    10.1126/science.1172005
  • 发表时间:
    2009-05-29
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Friedland AE;Lu TK;Wang X;Shi D;Church G;Collins JJ
  • 通讯作者:
    Collins JJ
Role of reactive oxygen species in antibiotic action and resistance.
  • DOI:
    10.1016/j.mib.2009.06.018
  • 发表时间:
    2009-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Dwyer, Daniel J.;Kohanski, Michael A.;Collins, James J.
  • 通讯作者:
    Collins, James J.
Potentiating antibacterial activity by predictably enhancing endogenous microbial ROS production.
  • DOI:
    10.1038/nbt.2458
  • 发表时间:
    2013-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    46.9
  • 作者:
  • 通讯作者:
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  • DOI:
    10.1038/nchembio.740
  • 发表时间:
    2011-12-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    14.8
  • 作者:
    Lee, Henry H.;Collins, James J.
  • 通讯作者:
    Collins, James J.
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