В простом, но творческом эксперименте ученые из Гарвардской медицинской школы и Технион-Израильского технологического института разработали простой способ наблюдать, как бактерии разрабатывают устойчивость к лекарствам и размножаются за счет увеличения доз антибиотиков.
Считается, что эксперименты, опубликованные в выпуске 9 сентября журнала Science, дают первый крупномасштабный проблеск маневров бактерий, поскольку они сталкиваются со все более высокими дозами антибиотиков и адаптируются к выживанию и процветанию в них.
Для этого команда сконструировала чашку Петри размером 2 на 4 фута и наполнила ее 14 литрами агара - желеобразного вещества из морских водорослей, обычно используемого в лабораториях для питания организмов по мере их роста.
Чтобы наблюдать, как бактерия Escherichia coli адаптируется к все более высоким дозам антибиотиков, исследователи разделили блюдо на части и насыщали их различными дозами лекарств. Внешние края блюда были свободны от наркотиков. В следующем разделе содержалось небольшое количество антибиотика - чуть выше минимума, необходимого для уничтожения бактерий, - и каждый последующий раздел представлял собой 10-кратное увеличение дозы, при этом центр чашки содержал в 1000 раз больше антибиотика, чем площадь с самая низкая доза.
В течение двух недель камера, установленная на потолке над тарелкой, делала периодические снимки, которые исследователи склеивали в виде замедленного монтажа. Результат? Мощная, не приукрашенная визуализация движения бактерий, смерти и выживания; эволюция на работе, видна невооруженным глазом.
Исследователи утверждают, что устройство, получившее название «Микробная арена эволюции и роста» (MEGA), представляет собой простую и более реалистичную платформу для изучения взаимодействия между космосом и эволюционными вызовами, которые заставляют организмы изменяться и адаптироваться или умирать.
«Мы довольно много знаем о механизмах внутренней защиты, которые бактерии используют для уклонения от антибиотиков, но мы на самом деле мало знаем об их физических перемещениях в пространстве, поскольку они адаптируются к выживанию в различных средах», - сказал первый автор исследования Майкл Байм, научный сотрудник в системной биологии в HMS.
Исследователи предупреждают, что их гигантская чашка Петри не предназначена для того, чтобы идеально отражать то, как бактерии адаптируются и процветают в реальном мире и в условиях больниц, но она более точно имитирует среду, с которой сталкиваются бактерии в реальном мире, чем традиционные лабораторные культуры. Это объясняется тем, что, по словам исследователей, в эволюции бактерий имеет значение пространство, размер и география. Перемещение в средах с различной силой антибиотиков представляет собой другую проблему для организмов, чем для традиционных лабораторных экспериментов, в которых используются крошечные чашки с однородно смешанными дозами лекарств.
Благодаря наблюдениям за этим экспериментом ученые смогли собрать некоторые ключевые сведения о поведении бактерий, подвергающихся воздействию увеличивающихся доз препарата, в том числе:
Бактерии распространяются до тех пор, пока они не достигнут концентрации (дозы антибиотика), при которой они больше не могут расти.
На каждом уровне концентрации небольшая группа бактерий адаптировалась и выжила. Сопротивление произошло через последовательное накопление генетических изменений. По мере появления устойчивых к лекарствам мутантов их потомки мигрировали в области с более высокой концентрацией антибиотиков. Несколько линий мутантов боролись за одно и то же пространство. Победившие штаммы прогрессировали в область с более высокой дозой лекарства, пока не достигли концентрации лекарства, при которой они не могли выжить.
Последовательное развитие через все более высокие дозы антибиотика, мутанты с низкой резистентностью приводили к появлению мутантов с умеренной резистентностью, в конечном итоге порождая штаммы с высокой резистентностью, способные противостоять самым высоким дозам антибиотика.
В конечном итоге, в драматической демонстрации приобретенной лекарственной устойчивости бактерии распространились до самой высокой концентрации лекарственного средства. В течение 10 дней бактерии продуцировали мутантные штаммы, способные выживать в дозе антибиотика триметоприма, в 1000 раз превышающей дозу, убившую их предшественников. Когда исследователи использовали другой антибиотик - ципрофлоксацин - бактерии развили устойчивость в 100 000 раз к начальной дозе.
Первоначальные мутации привели к замедлению роста - открытие, которое предполагает, что бактерии, адаптирующиеся к антибиотику, не способны расти с оптимальной скоростью при развитии мутаций. Будучи полностью устойчивыми, такие бактерии восстановили нормальные темпы роста.
Самые сильные, устойчивые мутанты не всегда были самыми быстрыми. Иногда они оставались позади более слабых штаммов, которые выдерживали передовую линию более высоких доз антибиотиков.