Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 83704 10.29039/rusjbpc.2023.0638 МОДЕЛИРОВАНИЕ В БИОФИЗИКЕ И БИОИНФОРМАТИКА MODELLING IN BIOPHYCIS AND BIOINFORMATISC МОДЕЛИРОВАНИЕ В БИОФИЗИКЕ И БИОИНФОРМАТИКА MATHEMATICAL MODELING OF THE EXPERIMENTAL EVOLUTION OF TRANSGENIC BACTERIA: “PLASMID PARADOX” МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ТРАНСГЕННЫХ БАКТЕРИЙ: «ПЛАЗМИДНЫЙ ПАРАДОКС» Брильков А. В. Brilkov A. V. abrilkov@sfu-kras.ru Брилькова Е. В. Brilkova E. V. evmorbril@mail.ru Жабрун И. В. Jabrun I. V. ijabrun@sfu-kras.ru Ганусов В. В. Ganusov V. V. vitaly.ganusov@gmail.com Логинов Ю. Ю. Loginov Yu. Yu. loginov@sibsau.ru Шуваев А. Н. Shuvaev A. N. ashuvaev@sfu-kras.ru Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Институт биофизики ФИЦ СО РАН Красноярск Россия Institute of biophysics FRC SB RAS Krasnoyarsk Russian Federation Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation Университет Теннесси Ноксвилл Россия University of Tennessee Knoxville Russian Federation Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева Красноярск Россия Reshetnev Siberian State University of Science and Technology Krasnoyarsk Russian Federation Сибирский федеральный университет Красноярск Россия Siberian Federal University Krasnoyarsk Russian Federation 06 06 2024 06 06 2024 8 4 392 400 01 08 2023 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/83704/view

В настоящей работе построена математическая модель распределения клеток трансгенных бактерий, по количеству содержащихся в них плазмид. Это позволяет изучать закономерности выживания трансгенных микроорганизмов в определенных экологических условиях с учетом различных характеристик трансгенных штаммов, например, стабильности плазмид в новых клетках, «популяционной стоимости» поддержания коньюгативных и неконьюгативных плазмид, эффективности экспрессии клонированных на плазмидах генов и других. «Плазмидный парадокс» заключается в том, что хотя обычно присутствие плазмид, содержащих клонированные гены, снижает удельную скорость роста трансгенных бактерий, но при длительном росте бактерий в неселективных условиях («экспериментальная эволюция», 20-30 или более генераций исходной формы без антибиотиков) «стоимость приспособленности», снижается на порядок-два. Анализ экспериментальных приводит к выводу, что это связано с изменением разницы в скоростях роста плазмидных и бесплазмидных клеток, с изменением вероятности образования бесплазмидных клеток, копийности плазмид и экспрессии клонированных генов в клетках трансгенных бактерий в различных экологических условиях.

In the present work, a mathematical model for the distribution of transgenic bacteria cells by the number of plasmids contained in them is constructed. This makes it possible to study the patterns of survival of transgenic microorganisms under certain environmental conditions, taking into account various characteristics of transgenic strains, for example, the stability of plasmids in new cells, the “population cost” of maintaining conjugative and non-conjugative plasmids, the efficiency of expression of genes cloned on plasmids, and others. The "plasmid paradox" lies in the fact that although the presence of plasmids containing cloned genes usually reduces the specific growth rate of transgenic bacteria, but with prolonged growth of bacteria under non-selective conditions ("experimental evolution", 20-30 or more generations of the original form without antibiotics) “cost of fitness” is reduced by an order of magnitude or two. An analysis of the experimental results leads to the conclusion that this is due to a change in the difference in the growth rates of plasmid and plasmid-free cells, with a change in the probability of formation of plasmid-free cells, the copy number of plasmids, and the expression of cloned genes in cells of transgenic bacteria under various environmental conditions.

 Трансгенные бактерии экспериментальная эволюция «плазмидный парадокс» математическое моделирование transgenic bacteria experimental evolution “plasmid paradox” mathematic modeling

Brockhurst M.A., Harrison E. Ecological and evolutionary solutions to the plasmid paradox. Trends Microbiol., 2022, vol. 30, no. 6, pp. 534-543. Brockhurst M.A., Harrison E. Ecological and evolutionary solutions to the plasmid paradox. Trends Microbiol., 2022, vol. 30, no. 6, pp. 534-543. Paulsson J., Nordstrom K., Ehrenberg M. Requirements for rapid plasmid ColE1 copy number adjustments: a mathematical model of inhibition modes and RNA turnover rates. Plasmid., 1998,vol. 39, pp. 215‒234. Paulsson J., Nordstrom K., Ehrenberg M. Requirements for rapid plasmid ColE1 copy number adjustments: a mathematical model of inhibition modes and RNA turnover rates. Plasmid., 1998,vol. 39, pp. 215‒234. Atlung T., Christensen B.B., Hansen F.G. Role of the rom protein in copy number control of plasmid pBR322 at different growth rates in Escherichia coli K-12. Plasmid., 1999, vol. 41, pp. 110-119. Atlung T., Christensen B.B., Hansen F.G. Role of the rom protein in copy number control of plasmid pBR322 at different growth rates in Escherichia coli K-12. Plasmid., 1999, vol. 41, pp. 110-119. Standley M.S., Million-Weaver S., Alexander D.L., Hu S., Camps M. Genetic control of ColE1 plasmid stability that is independent of plasmid copy number regulation. Curr. Genet., 2019, vol. 65, no. 1. Standley M.S., Million-Weaver S., Alexander D.L., Hu S., Camps M. Genetic control of ColE1 plasmid stability that is independent of plasmid copy number regulation. Curr. Genet., 2019, vol. 65, no. 1. Shuvaev A. DnaA dynamics could be linked with fitness cost in bacteria. Cell Biochem. Biophys., 2014, vol. 70, no. 1, pp. 295-299. Shuvaev A. DnaA dynamics could be linked with fitness cost in bacteria. Cell Biochem. Biophys., 2014, vol. 70, no. 1, pp. 295-299. Rajer F., Sandegren L. The Role of Antibiotic Resistance Genes in the Fitness Cost of Multiresistance Plasmids. mBio, 2022, vol. 13, no. 1.. Rajer F., Sandegren L. The Role of Antibiotic Resistance Genes in the Fitness Cost of Multiresistance Plasmids. mBio, 2022, vol. 13, no. 1.. Dimitriu T., Matthews A.C., Buckling A. Increased copy number couples the evolution of plasmid horizontal transmission and plasmid-encoded antibiotic resistance. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2021, vol. 118, no. 31. Dimitriu T., Matthews A.C., Buckling A. Increased copy number couples the evolution of plasmid horizontal transmission and plasmid-encoded antibiotic resistance. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2021, vol. 118, no. 31. San Millan A., Santos-Lopez A., Ortega-Huedo R., Bernabe-Balas C., Kennedy S.P., Gonzalez-Zorn B. Small-plasmid-mediated antibiotic resistance is enhanced by increases in plasmid copy number and bacterial fitness. Antimicrob. Agents Chemother, 2015, vol. 59, pp. 3335-3341. San Millan A., Santos-Lopez A., Ortega-Huedo R., Bernabe-Balas C., Kennedy S.P., Gonzalez-Zorn B. Small-plasmid-mediated antibiotic resistance is enhanced by increases in plasmid copy number and bacterial fitness. Antimicrob. Agents Chemother, 2015, vol. 59, pp. 3335-3341. Брильков А.В., Брилькова Е.В., Ганусов В.В., Жабрун И.В., Логинов Ю.Ю. Экологическая биофизика: опыт математического моделирования динамики трансгенных микробных популяций. Акт. вопр. биол. физ. и хим., 2019, т. 4, № 3, с. 378-382. Brilkov A.V., Brilkova E.V., Ganusov V.V., Zhabrun I.V., Loginov Yu.Yu. Ecological biophysics: experience of mathematical modeling of dynamics of transgenic microbial populations. Act. vopr. biol. phys. and chem., 2019, vol. 4, no. 3, pp. 378-382 (In Russ.). Vanacker M., Lenuzza N., Rasigade J. P. The fitness cost of horizontally transferred and mutational antimicrobial resistance in Escherichia coli. Front. Microbiol., 2023, vol. 14, p. 1186920. Vanacker M., Lenuzza N., Rasigade J. P. The fitness cost of horizontally transferred and mutational antimicrobial resistance in Escherichia coli. Front. Microbiol., 2023, vol. 14, p. 1186920. Hall J.P.J., Wright R.C.T., Harrison E., Muddiman K.J., Wood A.J., Paterson S. et al. Plasmid fitness costs are caused by specific genetic conflicts enabling resolution by compensatory mutation. PLoS Biol., 2021, vol. 19, e3001225. Hall J.P.J., Wright R.C.T., Harrison E., Muddiman K.J., Wood A.J., Paterson S. et al. Plasmid fitness costs are caused by specific genetic conflicts enabling resolution by compensatory mutation. PLoS Biol., 2021, vol. 19, e3001225.