Ученые сняли на видео, как бактерии становятся невосприимчивыми к лекарствам
Ученые из Гарвардской медицинской школы и Техниона–Израильского технологического института разработали простой способ наблюдать за перемещением бактерий по мере того, как они становятся невосприимчивыми к лекарствам.
Эксперименты, описанные в выпуске журнала Science от 9 сентября, впервые в крупном масштабе показывают маневры бактерий при столкновении со все более высокими дозами антибиотиков и их адаптацию для выживания.
Команда сконструировала чашку Петри размером 2 на 4 фута (≈60×120 см) и заполнила ее 14 литрами агара — желеобразного вещества из водорослей, используемого для питания организмов.
Чтобы наблюдать за адаптацией бактерии Escherichia coli, исследователи разделили чашку на секции, насыщенные различными дозами лекарства. Самые внешние области не содержали препарата. Следующая секция содержала небольшое количество антибиотика — чуть выше минимального, необходимого для уничтожения бактерий. Каждая последующая секция представляла собой 10-кратное увеличение дозы, причем в центре чаши содержалось в 1000 раз больше антибиотика, чем в области с самой низкой дозой.
В течение двух недель камера, установленная над чашкой, делала периодические снимки, которые исследователи объединили в таймлапс. Результат — наглядная визуализация движения, гибели и выживания бактерий; эволюция в действии, видимая невооруженным глазом.
Устройство, названное MEGA-plate (Microbial Evolution and Growth Arena), представляет собой простую и более реалистичную платформу для изучения взаимодействия между пространством и эволюционными вызовами.
«Мы знаем о внутренних защитных механизмах бактерий, но мало знаем об их физическом перемещении в пространстве по мере адаптации», — сказал первый автор исследования Майкл Бейм.
Исследователи подчеркивают, что их гигантская чашка Петри не идеально отражает реальные условия, но она гораздо ближе к ним, чем традиционные лабораторные культуры, потому что в эволюции бактерий имеют значение пространство, размер и география.
Кинематографическое вдохновение
Идея устройства родилась из педагогической необходимости — наглядно преподавать эволюцию студентам. Исследователи адаптировали идею из Голливуда.
Старший исследователь Рой Кишони увидел рекламный щит фильма «Заражение» (2011), созданный с использованием гигантской лабораторной чашки, где светящиеся микробы ползли по темному фону, складываясь в название фильма.
«Наш MEGA-plate делает сложные концепции эволюции, такие как мутационный отбор, линии, параллельная эволюция и клональная интерференция, видимыми и наглядными. Это также мощная иллюстрация того, как легко бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам», — сказал Кишони.
Бактерии в движении
Устройство позволило получить ключевые insights о поведении бактерий:
- Бактерии распространялись, пока не достигали концентрации антибиотика, при которой больше не могли расти.
- На каждом уровне концентрации небольшая группа бактерий адаптировалась и выживала. Устойчивость возникала за счет последовательного накопления генетических изменений. Потомки устойчивых мутантов мигрировали в области с более высокой концентрацией. Несколько линий мутантов конкурировали за одно пространство.
- Прогрессируя через все более высокие дозы антибиотика, слабоустойчивые мутанты порождали умеренно устойчивых, в конечном итоге порождая высокоустойчивые штаммы.
- В итоге, за 10 дней, бактерии выработали мутантные штаммы, способные выжить при дозе антибиотика триметоприма в 1000 раз выше смертельной для их предков. При использовании ципрофлоксацина бактерии развили 100 000-кратную устойчивость к исходной дозе.
- Первоначальные мутации приводили к более медленному росту, что говорит о затратах на адаптацию. Полностью устойчивые бактерии восстанавливали нормальную скорость роста.
- Самые приспособленные, наиболее устойчивые мутанты не всегда были самыми быстрыми. Иногда они оставались позади более слабых штаммов, которые первыми достигали фронта с высокой дозой антибиотика.
«Наши наблюдения показывают, что эволюцию не всегда возглавляют самые устойчивые мутанты. Иногда преимущество у тех, кто первым добирается до новой территории. Сильнейшие мутанты часто движутся позади более уязвимых штаммов. Приоритет может определяться близостью, а не силой мутации», — пояснил Майкл Бейм.