Эволюцию устойчивых к антибиотикам «супербактерий» воспроизвели в миниатюре

Биологи из Технологического института в Хайфе и Гарвардской медицинской школы проследили за возникновением и эволюцией устойчивости к антибиотикам среди бактерий, живущих на двумерной среде. Результаты экспериментов показали, что структура того пространства, где живут микроорганизмы, играет очень важную роль в определении путей их эволюции. И законы этой эволюции сильно отличаются от того, что ученые обычно наблюдают в лабораторных экспериментах в жидкой среде. Работа опубликована в журнале Science.

Проблема возникновения устойчивости к антибиотикам и исчерпания ресурса эффективных антимикробных веществ является одной из самых острых в современной медицине. Например, уже сейчас существуют так называемые «супербактерии» — штаммы бактерий, которые нечувствительны ко всем известным антибиотикам, в т.ч. последнего эшелона. При этом механизмы формирования устойчивости к антибиотикам изучены на сегодняшний день только фрагментарно.

Например, хорошо известны так называемые гены множественной усточивости, которые бактерии передают друг другу на портативных ДНК-носителях, плазмидах. Большинство из этих генов кодируют молекулярные помпы, которые умеют выкачивать разнообразные антибиотики из клетки наружу. Относительно хорошо известны и механизмы, которые используют для собственной защиты те бактерии, которые сами вырабатывают антимикробные вещества. Однако устойчивость к антибиотикам может быть связана не только с приобретением «защитных» генов, но и с мутациями в тех генах, которые, на первый взгляд, никакого отношения к антибиотикам не имеют.

Такую спонтанную устойчивость тоже изучают, но, как выясняется, не всегда выводы, сделанные в лабораторных условиях, могут быть применимы в клиническом опыте. Дело в том, что обычно эксперименты по «эволюции-в-пробирке», где ученые пытаются проследить за возникновением устойчивости, проводят в жидкой среде — это позволяет работать с большим количеством бактерий и находить очень редкие мутации. Однако жидкая среда принципиально отличается от большинства естественных мест обитания бактерий. В реальности микроорганизмы обычно формируют сложные сообщества (биопленки) на слизистых оболочках тканей, на поверхности продуктов и т. д. Даже без учета взаимодействий между разными видами в биопленке рост в такой сложно устроенной среде принципиально отличается от роста в жидкости. Прежде всего тем, что там не происходит постоянного перемешивания, а значит и концентрация антибиотиков и правила конкуренции за пищевые ресурсы устроены совсем иначе.

Чтобы приблизится к правильному пониманию возникновения устойчивости к антибиотикам, авторы новой работы воспроизвели эксперимент по «эволюции-в-пробирке» — но не в пробирке, а в двумерной среде. Для этого они создали огромную (по лабораторным меркам) чашку Петри, в которой колонии могли расти, бороться за ресурсы и эволюционировать в течение длительного времени. За тем, как это происходит, ученые наблюдали с помощью таймлапс-съемки, а некоторые отдельные колонии были еще и отсеквенированы на предмет новых мутаций. Чашка была устроена таким образом, что в нижней ее части находились полоски с антибиотиков в разной концентрации, а сверху был залит тонкий слой питательной среды, по которому могли двигаться бактерии.

Градиент антибиотика был ступенчатый, с резким (на порядок) увеличением концентрации вещества от одной полосы к другой. Поэтому, когда бактерий подсаживали в исходную точку, они сначала заполняли полосу чашки без антибиотика, а только потом начинали двигаться туда, где были не только свежие ресурсы, но и антибиотик. Устойчивые бактерии сначала заполняли одну полосу, потом, — если возникала новая мутация, повышающая устойчивость к повышенной концентрации — другую, и двигались так пока не доходили до полосы с максимальной концентрацией.

Заселять новую территорию могли только бактерии, которые приобретали за счет спонтаных мутаций устойчивость. На таймлапс-видео хорошо заметно, как появление таких индивидуальных бактерий приводит к формированию целых «вееров» колонизаторов, которые распространяются по новой территории. Важная особенность эксперимента в двумерной среде заключалась в том, что заселение любого участка территории истощало его ресурсы и делало уже не привлекательным для повторной колонизации другими бактериями. Поэтому на чашке постепенно формировались сложные, почти древовидные структуры, где почти каждая точка была занята только потомками одной клетки. Изучая структуру и генетику такого «дерева колонистов», ученые могли следить за тем, как проходила эволюция бактерий.

Из результатов наблюдения «эволюции-в-пробирке», которые приводят ученые, можно сделать два основных вывода.

Во-первых, эксперимент подтвердил, что для появления устойчивости очень важно наличие антибиотика в промежуточных концентрациях. Когда из всего спектра концентраций ученые оставляли на чашке только нулевой и максимальный, то ни одна бактерия так и не смогла приобрести устойчивость. Если же переход от нуля к максимуму был постепенным (хотя бы через две ступени), то та же самая максимальная концентрация становилась доступна для мутировавших бактерий. Это показывает, насколько важно (в клиническом смысле) соблюдать дозировку и режим приема антибиотика — недостаточность концентрации или времени приема приводит к быстрому формированию устойчивости, к появлению мутантов, с которыми уже нельзя справиться.

Второй вывод заключается в том, что двумерная среда по-другому действует на эволюцию бактерий. Если в жидкой среде преимущество получают те клетки, которые обладают максимальной скоростью роста при данной концентрации вещества, то в на чашках важна не только сама устойчивость, но и скорость ее приобретения. На снимках чашек видно, что часто уже после того, как первые «колонисты» заполняли новую территорию, на ней возникали колонии с более удачными мутациями. Такие колонии росли значительно быстрее тех, что исходно заселяли территорию, и даже могли их подавлять (если тех искусственно перенести на «фронтовую линию»). Однако в большинстве своем удачные мутации возникали слишком поздно, когда основные ресурсы среды уже были израсходованы. Поэтому такие «супер-колонии» оказывались отрезанными от фронта колонизации, развивались в изоляции и не оказывали никакого влияния на развитие всего сообщества, превращаясь, таким образом, в тупиковые вети эволюции.

Александр Ершов, N+1

Рекомендуємо прочитати

Гонтарева розповіла, до чого може призвести блокада Донбасу

Глава НБУ Валерія Гонтарева вважає, що п....

Це може бути цікавим

загрузка...

Схожі публікації

Дивіться, що пишуть

На чемпионате мира по лыжным видам спорта определили «худшего лыжника в мире».

По его словам, он должен был месяц готовиться к турниру на снегу в Скандинавии, однако из-за проблем с полицией не смог добраться до места назначения вовремя....