Glutamate-Mediated Metabolic Rewiring Boosts CpxA/CpxR-OmpF and Proton Motive Force to Resensitize Antibiotic-Resistant Escherichia coli to Ceftazidime

头孢他啶 谷氨酸受体 化学渗透 代谢途径 生物化学 细胞内 化学 生物 细菌外膜 生物物理学 抗生素 细菌 新陈代谢 细胞膜 孔蛋白 微生物学 细胞生物学 糖酵解 尿素循环 抗生素耐药性 柠檬酸循环 流出 膜电位 膜透性 肌苷 代谢组学 能量代谢 作用机理 代谢调节
作者
Si-chen Yuan,Zhicheng Yang,Xuan-xian Peng,Hui Li
出处
期刊:ACS Infectious Diseases [American Chemical Society]
卷期号:12 (3): 1204-1214
标识
DOI:10.1021/acsinfecdis.6c00070
摘要

Ceftazidime (CAZ) is a critically important broad-spectrum antibiotic that is widely used in clinical practice. However, the rapid emergence of bacterial resistance to CAZ poses a significant challenge in treating infections caused by multidrug-resistant pathogens. In this study, we employed a metabolism-reprogramming approach to characterize key features of laboratory-evolved CAZ-resistant Escherichia coli K12 and identified repressed glutamate metabolism as a reprogrammable target. Exogenous glutamate effectively resensitized both lab-evolved and clinically isolated multidrug-resistant E. coli strains to CAZ. The resensitization mechanism operates through two synergistic pathways driven by glutamate metabolic flux. First, glutamate conversion to inosine activates the inosine-CpxA/CpxR-OmpF regulatory axis, increasing outer membrane permeability. Second, glutamate entry into the pyruvate cycle restores the proton motive force (PMF), energizing the inner membrane. Together, increased outer membrane permeability and a restored PMF synergistically enhance intracellular accumulation of CAZ─by facilitating its entry through the widened OmpF porin and promoting its active uptake across the cytoplasmic membrane. This dual-mechanism strategy provides a novel two-pronged approach to overcoming CAZ resistance. Our findings underscore the potential of targeting bacterial metabolic pathways to restore susceptibility and extend the utility of existing antibiotics against resistant pathogens.
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