Битка между бактерии и антибиотици - ефектен еволюционен експеримент на Харвард (видео)

С увеличаване на резистентността към антибиотици в бактериалните популации възникват паралелни линии на еволюция, които се различават по фенотип и генотип. Това показва една впечатляваща видео демонстрация на Харвардския медицински институт.

Експериментът е описан в научна статия, публикувана на 9 септември 2016 в списание Science

Обикновено в лабораторните експерименти бактериите се развъждат в хомогенна среда. Изследователите от Харвард отиват ​​по-далеч. Те организират необичаен експеримент с еволюцията на бактериите в смесена среда в огромна "чиния" 120 × 60 см, описан в сайта на института.

Пространството е разделено на зони с различна концентрация на антибиотика, така че в следващата зона преминават само тези поколения бактерии, които имат подходящи мутации. В резултат на финалния кръг в средата на арената стигат само "супермикроби", тоест тези, които максимално са променили своя генотип и фенотип в резултат на еволюционния отбор.

Арената на битката на микробите с антибиотиците се нарича MEGA (microbial evolution and growth arena). Тази среда е създадена специално така, че при експоненциално нарастване на броя на бактериите те да не се конкурират помежду си за ограничените ресурси, както е в повечето научни експерименти. Има почти неограничени ресурси, а от бактериите се иска само да усвояват нови територии и да се адаптират към новите условия на живот, умножавайки броя си практически без никакви ограничения. В този смисъл движението на бактериалният фронт напомня на експанзията на човешкия вид на планетата Земя през Средновековието при колонизацията на нови територии (вероятно експанзивното развитие на човешката раса ще продължи и отвъд пределите на нашата планета с колонизацията на всички обитаеми зони, до които може да стигнем).

^{Арена MEGA. Кадър от демонстрационното видео на Харвардския медицински институт.}

Експериментът има не само научна, но и образователна стойност. Големото пространство на MEGA арената дава възможност да се наблюдават визуално мутациите и естествения отбор по време на разпространението на фронта на бактериалната популация. Зрелището впечатлява.

За този експеримент е конструирана правоъгълна чашка Петри с размери 120 х 60 см, структурирана по зони с експоненциалното нарастване на концентрацията на антибиотика триметоприм от периферията към центъра, както и хранителните вещества за бактериите. Голямата площ на арената не позволява на бактериите E. coli да се смесват, за да може по-ясно да се наблюдават ставащите мутации.

Конструкцията на арената MEGA и резултатът от разпространението на бактериалния фронт в течение 12 денонощия е показан на илюстрация B. Кръговете с различни цветове обозначават 182 вида мутирали бактерии, цветът обозначава концентрацията на бактерите. Линиите между видовете съответстват на посоката на мутациите на базата на данните от видеокамерата.

^{Илюстрация: Harvard Medical School}

С увеличаване на резистентността към антибиотици в бактериалните популации възникват многочислени паралелни линии на еволюция, които се различават по фенотип и генотип. 

^{Илюстрация: Harvard Medical School}

Няколко интересни неща са открити от учените, докато изучават бактериите в авангарда и зад фронта на бактериалната популация. 

Оказа се, че еволюцията не винаги се движи напред от бактериите, които са най-устойчиви на антибиотици. Колкото и да е странно, понякога най-устойчиви приемствени линии се оказват заключени зад по-чувствителните бактерии. Вероятно, това се дължи на "преждевременни" мутации, когато някои бактерии се оказват готови да оцелеят в по-висока концентрация на антибиотика, която ще се появи в бъдеще, но все още не се е появила. В такава ситуация потенциално по-адаптираните бактерии отстъпват място на фронта на събратята си, които са приспособени именно към актуалната концентрация в момента.

За да проверят тази теория, изследователите вземат проби от изолирани бактериални колонии с "преждевременни" мутации и насилствено ги поставят пред фронта. Както се очакваше, те оцеляваха в условия, в които основният бактериален фронт не може да оцелее.

^{Пространствен капан на компенсаторни мутации - бактериите, които толкова са изпреварили времето си, че даже след настъпване на подходящите условия са вече затворени зад настъпващия фронт. Илюстрация: Harvard Medical School}

Учените внимателно са проучили генотипа на най-мутиращите видове бактерии, които са успели да оцелеят в разтвор с максимална концентрация на триметоприм. Оказа се, че тези видове по-често мутира генът folA, кодиращ дихидрофолат редуктаза (DHFR) и е мишена на триметоприма. Колкото е по-високо съпротивлението на бактерията към антибиотика - толкова повече мутации стават в този ген. Открити са и мутации в няколко други гена, които не са свързани с действието на конкретния антибиотик. Сред тях са два (mar и sox), които отговарят за реакцията на стрес. Тези "стресови" гени играят важна роля за успешната антибиотична резистентност.

Учените също така показаха, че добрата адаптация към слабото въздействие на антибиотика ускорява по-късно адаптирането към по-високи концентрации (в илюстрацията долу). Точно както при хората, които по-лесно се приспособяват към влошаващи се условия на живот, ако промените се извършват постепенно и неусетно.