Plasmids providing antibiotic resistance to their host bacteria pose a major threat to society, as antibiotics are often the only way to treat infectious diseases. Here the existence conditions of plasmids are investigated in an ecological framework with mathematical methods such as ordinary differential equations and individual-based models. It is shown how (i) the arise of different kinds of compensatory mutation, (ii) intra- and intercellular interactions of plasmids representing opposing plasmid lifestyles as well as (iii) a diverse plasmid community affect plasmid dynamics, community composition and persistence. The results indicate that evolutionary modifications and interactions between plasmids broaden the existence conditions of plasmids in a way that has not been recognized before, but explains their occurrence in nature. This includes that biotic interactions could maintain costly plasmid-encoded antibiotic resistance despite the absence of abiotic selection. These findings open a way to study remaining research questions related to the complexity of natural environments.:1. Introduction
2. Article I (published) – Mobile compensatory mutations promote plasmid survival
3. Article II (published) – Conjugative plasmids enable the maintenance of low cost non-transmissible plasmids
4. Article III (submitted) – The autopoiesis of plasmid diversity
5. Supervised Master thesis I – The propagation of antibiotic resistances considering migration between microhabitats
6. Supervised Master thesis II – Estimation of the pB10 conjugation rate in Escherichia coli combining laboratory experiments and modelling
7. Supervised research internship – Plasmid population dynamics considering individual plasmid copy numbers
8. Discussion / Plasmide, die Antibiotikaresistenzen an ihre Wirtsbakterien vermitteln, stellen eine große Bedrohung füur die Gesellschaft dar, weil Antibiotika oft die einzige Möglichkeit sind Infektionskrankheiten zu behandeln. In dieser Arbeit werden die Existenzbedingungen von Plasmiden aus einer ökologischen Perspektive mit mathematischen Methoden wie gewöhnlichen Differentialgleichungen und Individuen-basierten Modellen untersucht. Es wird gezeigt, wie (i) das Aufkommen verschiedener Kosten-kompensierender Mutationen, (ii) intra- und interzelluläre Wechselwirkungen von Plasmiden, die gegensätzliche Plasmidlebensstile repräsentieren, sowie (iii) eine vielfältige Plasmidgemeinschaft einen Einfluss auf die Dynamik, Gemeinschaftszusammensetzung und Persistenz von Plasmiden ausüben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass evolutionäre Modifikationen und Wechselwirkungen zwischen Plasmiden die Existenzbedingungen von Plasmiden in einer Weise erweitern, die bisher nicht erkannt wurde, aber ihr Auftreten in der Natur erklärt. Dazu gehört auch, dass biotische Wechselwirkungen trotz fehlender abiotischer Selektion eine kostspielige Plasmid-vermittelte Antibiotikaresistenz aufrechterhalten könnten. Die Erkentnisse dieser Arbeit können dazu genutzt werden verbleibende Forschungsfragen anzugehen, die im Zusammenhang mit der Komplexität der natürlichen Umwelt stehen.:1. Introduction
2. Article I (published) – Mobile compensatory mutations promote plasmid survival
3. Article II (published) – Conjugative plasmids enable the maintenance of low cost non-transmissible plasmids
4. Article III (submitted) – The autopoiesis of plasmid diversity
5. Supervised Master thesis I – The propagation of antibiotic resistances considering migration between microhabitats
6. Supervised Master thesis II – Estimation of the pB10 conjugation rate in Escherichia coli combining laboratory experiments and modelling
7. Supervised research internship – Plasmid population dynamics considering individual plasmid copy numbers
8. Discussion
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38429 |
| Date | 21 February 2020 |
| Creators | Zwanzig, Martin |
| Contributors | Berger, Uta, Berendonk, Thomas U., Kreft, Jan-Ulrich, Müller, Susann, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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