Картирование эволюции E. coli для борьбы с устойчивостью к антибиотикам

Устойчивость к антибиотикам — глобальная проблема, при которой бактерии эволюционируют и перестают реагировать на стандартные препараты. Новое исследование Токийского университета позволило картировать эволюцию и процесс естественного отбора бактерий Escherichia coli (E. coli) в лаборатории.

Эти карты, называемые ландшафтами приспособленности, помогают лучше понять пошаговое развитие и характеристики устойчивости E. coli к восьми различным препаратам, включая антибиотики. Исследователи надеются, что их результаты и методы будут полезны для прогнозирования и контроля E. coli и других бактерий в будущем.

«Разработка методов, способных предсказывать и контролировать бактериальную эволюцию, крайне важна для подавления появления устойчивых бактерий», — заявил исследователь Дзюнитиро Ивасава, аспирант Высшей школы наук на момент исследования.

Метод исследования

Учёные использовали метод адаптивной лабораторной эволюции (ALE), чтобы «переиграть» эволюцию устойчивости E. coli к восьми различным препаратам. Это позволило изучить эволюцию штаммов с определёнными наблюдаемыми характеристиками (фенотипами) в лаборатории и понять, какие изменения могут происходить с бактериями в процессе долгосрочного естественного отбора.

«Мы решили проблему трудоёмкости обычных экспериментов по лабораторной эволюции, используя автоматизированную систему культивирования, ранее разработанную в нашей лаборатории. Это позволило получить достаточный объём данных о фенотипических изменениях, связанных с эволюцией устойчивости», — пояснил Ивасава.

Анализ и результаты

Путём анализа полученных данных с использованием метода главных компонент (машинное обучение) исследователи смогли выявить ландшафт приспособленности, лежащий в основе эволюции лекарственной устойчивости E. coli.

Ландшафты приспособленности похожи на 3D-топографические карты, где горы и долины представляют эволюцию организма. Организмы на «пиках» эволюционировали для лучшей «приспособленности», то есть способности выживать в своей среде.

«Координаты ландшафта приспособленности представляют внутренние состояния организма, такие как паттерны генетических мутаций (генотипы) или профили устойчивости к препаратам (фенотипы). Таким образом, ландшафт описывает взаимосвязь между внутренними состояниями организма и соответствующими уровнями его приспособленности. Выявив этот ландшафт, можно прогнозировать ход эволюции», — объяснил Ивасава.

Исследование опубликовано в журнале PLoS Biology.

Перспективы

Команда полагает, что составленные ландшафты приспособленности и разработанные методы будут полезны для прогнозирования и контроля не только E. coli, но и других форм микробной эволюции. Это может привести к новым исследованиям, направленным на подавление лекарственно-устойчивых бактерий, а также способствовать разработке полезных микробов для биоинженерии и сельского хозяйства.

«Следующий важный шаг — фактически попытаться использовать ландшафты приспособленности для контроля эволюции устойчивости и посмотреть, как далеко мы сможем зайти. Это можно сделать, спроектировав лабораторные эволюционные эксперименты на основе информации с этих карт. Мы с нетерпением ждём предстоящих результатов», — заключил Ивасава.