Развитие устойчивости бактерий к антибиотикам сняли на видео
Ученые проследили, как бактерии учатся выживать в среде с антибиотиками. Эксперимент, заснятый на видео, демонстрирует естественный отбор устойчивых к антибиотикам штаммов. Перед вами эволюция микроорганизмов – быстрая и неумолимая.
Проблема устойчивости бактерий к противомикробным средствам – одна из острейших проблем современной медицины. При этом процесс формирования такой устойчивости изучен не полностью. Известно, что бактерии могут передавать друг другу гены, обеспечивающие защиту от антибиотиков, например, гены, кодирующие молекулярные насосы, которые выводят антибиотики из клетки наружу, или ферменты, разрушающие антибиотик. Однако устойчивость к антибиотикам может развиваться и спонтанно – в связи с мутациями в различных генах бактерии с последующим естественным отбором удачных вариантов.
Ранее процесс эволюции бактерий изучали преимущественно в жидкой среде – это позволяет работать с большим количеством бактерий и находить очень редкие мутации. Однако в естественных условиях микроорганизмы обычно обитают не в трех-, а в двумерном пространстве – они формируют биопленки на поверхностях слизистых оболочек животных, на продуктах и т.д. В биопленках не происходит постоянного перемешивания среды, как в жидкости, концентрация антибиотика и пищевых ресурсов изменяется иначе, поэтому рост и эволюция бактерий в биопленке имеют другие законы.
Читайте также: Бактериальные биопленки — одна из причин неэффективности антибиотиков
Для эксперимента использовали большую чашку Петри, в которой колонии бактерий E. coli (кишечной палочки) могли расти, бороться за ресурсы и эволюционировать в течение длительного времени. Процесс роста и расселения колоний периодически фиксировали на камеру (таймлапс съемка). Для ряда колоний определяли последовательность ДНК для выявления мутаций. В нижней части чашки Петри находились полоски с антибиотиком в разной концентрации (каждая следующая полоска содержала в 10 раз больше антибиотика, чем предыдущая), а сверху был залит тонкий слой питательной среды, на котором росли и размножались бактерии.
Бактерий подсаживали на исходную зону, где антибиотик отсутствовал. Они заполняли ее, а затем начинали двигаться туда, где были не только свежие ресурсы, но и антибиотик. Заселять новую территорию могли только микроорганизмы, которые за счет спонтанных мутаций приобретали устойчивость к имеющимся там концентрациям антибиотика. Эти микроорганизмы давали начало колониям, которые быстро заселяли новую территорию, останавливаясь перед границей следующей полоски с более высокой концентрацией антибиотика. Здесь все повторялось – мутанты, способные выживать при данной концентрации антибиотика, начинали заселять новые территории. В результате на чашке формировались сложные структуры, похожие на дерево, где отдельные “листочки” часто были потомками одной удачно мутировавшей клетки. Поэтому ученые имели возможность следить за тем, какие именно мутации помогали бактериям противостоять антибиотикам.
Читайте также: В США выделили супербактерию, устойчивую ко всем известным антибиотикам
Наблюдая за эволюцией кишечной палочки, ученые отметили два важных аспекта. Во-первых, для появления устойчивости бактерий к антибиотикам важно наличие антибиотика в промежуточных концентрациях. Когда соседствовали полоски с нулевой и максимальной концентрациями антибиотика, ни одна бактерия не смогла приобрести устойчивость. При постепенном же увеличении концентрации антибиотика, то та же самая максимальная концентрация постепенно становилась доступна для бактерий-мутантов. Это показывает, насколько важно соблюдать дозировку и режим приема антибиотика, так как недостаточная концентрация препарата в очаге инфекции приводит к быстрому формированию у патогенных агентов устойчивости к нему.
Во-вторых, в пленках эволюция бактерий происходит не так как в жидкой среде. Если в жидкой среде преимущество получают те клетки, которые обладают максимальной скоростью роста при данной концентрации вещества, то в двумерном пространстве выживает не просто устойчивый, а тот, кто быстрее других эту устойчивость приобрел. Скорость мутации в пленке часто важнее ее «качества»: первые колонисты получали доступ к новым ресурсам, быстро осваивали их и в конечном итоге давали начало новым ветвям эволюции. Ну а запоздавшим колонистам, пусть даже их мутации давали им преимущества в сравнении с первыми, просто не хватало ресурсов, и они выбывали из эволюционного процесса.
Читайте также: Гены устойчивости к антибиотикам можно легко «подхватить» в путешествии
* Baym M, Lieberman TD, Kelsic ED, Chait R, et al. Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes // Science 09 Sep 2016: Vol. 353, Issue 6304, pp. 1147-1151. DOI: 10.1126/science.aag0822
На фото: движение двух “фронтов” колоний бактерий друг другу навстречу; в центре концентрация антибиотика максимальная; Michael Baym et al., Science
