Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Биомолтекст2020
  • vsh25
  • Vitacoin

Экспансия фронта бактерий по арене с антибиотиками

Зрелищный эксперимент Гарвардской медицинской школы

Анатолий Ализар, Geektimes, по материалам Harvard Medical School: Bugs on Screen

Обычно в лабораторных опытах бактерий разводят в однородной среде. Учёные из Гарвардской медицинской школы пошли дальше. Они организовали необычный эксперимент по эволюции бактерий в смешанной среде – на огромном «блюде» размером 120×60 см. 

Пространство разделили на зоны с разной концентрацией антибиотика, так что в следующую зону проходят только поколения бактерий с подходящими мутациями. В результате в финальный раунд по центру арены пробиваются «супермикробы», то есть максимально изменившие свой генотип и фенотип в результате эволюционного отбора (см. об изоляции приспособленцев в конце статьи).

Арена битвы микробов с антибиотиками называется MEGA (microbial evolution and growth arena). Такая среда специально создана, чтобы при экспоненциальном росте численности бактерий они не соревновались друг с другом за ограниченные ресурсы, как это принято в большинстве научных экспериментов. Здесь ресурсы практически не ограничены, а от бактерий требуется только захватывать новые территории и приспосабливаться к новым условиям жизни, умножая свою численность практически без ограничений. В этом смысле движение бактериального фронта напоминает экспансию человеческого вида на планете Земля в средние века с колонизацией новых территорий (предположительно, экспансивное развитие человеческой расы продолжится и за пределами родной планеты с колонизацией всех пригодных для жизни территорий в зоне досягаемости).

Эксперимент имеет не только научную, но и образовательную ценность. Большое пространство арены MEGA позволяет визуально наблюдать мутации и естественный отбор при распространении фронта бактериальной популяции. Впечатляющее зрелище.

Проведённые ранее исследования показали, что структурированные микросреды такого типа увеличивают скорость эволюции в маленьких популяциях бактерий с изменением генотипа (Q. Zhang et al., Science 333, 1764–1767 (2011)). Но до сих пор оставался неизученным вопрос, как именно это происходит в больших популяциях.

Для такого эксперимента была сконструирована прямоугольная чашка Петри размером 120×60 см, структурированная по зонам с экспоненциальным увеличением концентрации антибиотика триметоприм от периферии к центру, а также с питательными веществами для размножения бактерий. Большая площадь арены не позволяла бактериям E. coli смешиваться между собой, чтобы более наглядно наблюдать происходящие мутации.

Bugs-on-Screen1.jpg

Конструкция арены MEGA и результат распространения бактериального фронта в течение 12 суток показаны на иллюстрации B. Кругами разного цвета обозначены 182 вида мутировавших бактерий, цвет обозначает концентрацию бактерий. Линии между видами соответствуют направлению мутации, исходя из данных видеосъёмки.

По мере постоянного увеличения сопротивления со стороны антибиотика в популяции бактерий возникают многочисленные параллельные линии эволюции, которые различаются по фенотипу и генотипу.

Bugs-on-Screen2.jpg

Изучив бактерий в авангарде и позади фронта бактериальной популяции, учёные выяснили несколько интересных вещей. Оказалось, что эволюцию не всегда движут вперёд бактерии, наиболее устойчивые к антибиотикам. Как ни странно, иногда самые устойчивые потомственные линии оказываются заперты позади более чувствительных бактерий. Судя по всему, это происходит из-за «преждевременных» мутаций, когда некоторые бактерии оказываются готовы выжить в более высокой концентрации антибиотика, которая появится в будущем, но ещё не появилась. В такой ситуации потенциально более приспособленные бактерии уступают место во фронте своим сородичам, которые приспособлены именно к актуальной концентрации, существующей в данный момент. 

Для проверки этой теории учёные взяли образцы изолированных колоний бактерий с «преждевременными» мутациями и насильно поместили их впереди фронта. Как и предполагалось, они выжили в условиях, в которых основной бактериальный фронт выжить не может.

Bugs-on-Screen3.jpg

Пространственная ловушка компенсаторных мутаций – бактерии, которые настолько опередили своё время, что даже после наступления подходящих условий они уже заперты позади наступившего фронта. Иллюстрация: Гарвардская медицинская школа

Учёные тщательно изучили генотип наиболее мутировавших видов бактерий, которые сумели выжить в растворе с максимальной концентрацией триметоприма. Выяснилось, что у этих видов чаще всего мутации подвергался ген folA, который кодирует дигидрофолат-редуктазу (DHFR) и является мишенью триметоприма. Чем больше сопротивляемость бактрии к антибиотику – тем больше было мутаций в этом гене. Кроме того, обнаружены мутации в нескольких других генах, не имеющих отношения к действию конкретного антибиотика. Среди них были опероны mar и sox, которые отвечают за реакцию на стресс. Ранее было известно, что эти «стрессовые» гены играют важную роль для успешного сопротивления антибиотикам.

Учёные также выяснили, что лучшая адаптация к слабому воздействию антибиотика ускоряет впоследствии адаптацию к более высоким концентрациям (на иллюстрации внизу). Всё как у людей, которые способны лучше приспособиться к ухудшающимся условиям жизни, если изменения происходят постепенно и незаметно.

Bugs-on-Screen4.jpg

Эксперимент описан в научной статье, опубликованной 9 сентября 2016 года в журнале Science (Baym et al., Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes).

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 12.09.2016


Читать статьи по темам:

антибиотики мутация визуализация Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Новый супермикроб добрался до США

Центры по контролю и профилактике заболеваний США объявили о выявлении первого в стране случая бактериального заражения, не поддающегося лечению ни одним существующим антибиотиком.

читать

Конец прекрасной эпохи

Несмотря на кажущееся разнообразие подходов, достойной альтернативы антибиотикам нет и в ближайшее время не предвидится. А значит, с анибиотикорезистентостью мы будем жить и дальше. И относиться к ней надо очень серьезно.

читать

Новый ген антибиотикорезистентности

Китайские исследователи обнаружили у кишечной палочки ген, который определяет устойчивость организмов к колистину, антибиотику из группы полимиксинов. Рано или поздно он перейдет к бактериям других видов.

читать

Выявлена новая угроза, которую несут антибиотики

Ученые выяснили, что использование антибиотиков в раннем возрасте резко увеличивает шансы получить аллергические заболевания в будущем.

читать

Антибактериальное мыло забанили

FDA выпустило запрет на продажу мыла, содержащего некоторые компоненты антибактериального действия, в том числе триклозан, трикоркарбан и еще 17 компонентов.

читать

Стафилококк против стафилококка

Немецкие ученые обнаружили новое оружие для борьбы с больничным монстром – мультирезистентным золотистым стафилококком – прямо под нашим носом. Вернее, в нём.

читать