Быстро эволюционирующие бактерии могут улучшить здоровье пищеварения
Эксперимент исследователей из Duke и NC State пошёл не по плану из-за действия эволюционных сил на экспериментальный штамм бактерий, но привёл к более значимому открытию.
Исследователи использовали колонию мышей, выращенных в стерильном пластиковом изоляторе, полностью лишённом бактерий. Они ввели в колонию один тип бактерий, но те быстро мутировали в разные типы, создав новые, более жизнеспособные внутри мышей бактерии по сравнению с исходными.
"В некотором смысле, это одна из лучших демонстраций эволюции, когда-либо проведённых в лаборатории", — сказал Уильям Паркер, доктор философии, доцент кафедры хирургии Duke. — "Это первый раз, когда эволюция бактерий отслеживалась в течение нескольких лет в невероятно сложной среде".
По словам Паркера, работа иллюстрирует силу эволюции в создании разнообразия и заполнении экологических ниш. "Это исследование также укрепляет идею, что мы могли бы использовать эволюцию в лаборатории для разработки микробов для применения в биотехнологии и медицине".
Результаты, опубликованные в журнале Applied and Environmental Microbiology, указывают, что "экспериментальная эволюция" (эволюция, контролируемая в лабораторных условиях) может быть использована для создания новых штаммов бактерий для применения в качестве пробиотиков — живых организмов, используемых для терапии кишечника и пищеварения.
Учёные поместили единственный штамм бактерий (нанесённый на мышей) в колонию мышей, в остальном свободных от бактерий. Исследуемые бактерии были сконструированы для производства структуры (пили типа 1), помогающей им прикрепляться. Исследователи надеялись изучить, как эта молекула повлияет на взаимодействие бактерий и мышей.
"Мы были удивлены, потому что думали, что сможем изучать эту сконструированную бактерию какое-то время, но мы ошиблись", — сказал Паркер.
Бактерии начали мутировать и быстро потеряли структуру пилуса, которая была в них встроена. Единый гомогенный штамм быстро эволюционировал в разнообразное сообщество организмов.
"Мы провели ряд экспериментов, чтобы исключить загрязнение как источник разнообразия", — сказал Паркер. — "Стало ясно, что эволюция разрушает наш эксперимент. В тот момент, поскольку эволюционный процесс, казалось, направлял бактерии к более эффективной жизни в кишечнике мыши, а разработка бактерий для более эффективной жизни в кишечнике — одна из наших основных целей, мы решили позволить процессу идти своим чередом и посмотреть, к чему он приведёт".
За трёхлетний период исследования бактериальная популяция оставалась разнообразной и, по-видимому, значительно адаптировалась к среде в пищеварительном тракте мышей.
"К концу эксперимента бактерии колонизировали мышей лучше, чем в начале", — сказал Паркер.
Плотность бактерий в кишечнике к концу эксперимента увеличилась более чем в три раза.
"Мы наблюдаем ряд эволюционных адаптаций, происходящих у бактерий, включая потенциальное повышение устойчивости к гибели клеток", — сказал Паркер.
Одна из будущих целей исследования — понять генетические изменения, ответственные за эти адаптации.