ساحة المضادات الحيوية للواجهة البكتيرية: تجربة مذهلة في كلية الطب بجامعة هارفارد

مع زيادة مقاومة المضادات الحيوية في عدد البكتيريا ، تنشأ خطوط موازية للتطور تختلف في النمط الظاهري والنمط الجيني. لقطة من فيديو تجريبي لكلية الطب بجامعة هارفارد

عادة ، في التجارب المعملية ، يتم تربية البكتيريا في بيئة متجانسة. ذهب علماء من كلية الطب بجامعة هارفارد إلى أبعد من ذلك. قاموا بتنظيم تجربة غير عادية على تطور البكتيريا في وسط مختلط - على "طبق" ضخم بقياس 120 × 60 سم.

تم تقسيم المساحة إلى مناطق بتركيزات مختلفة من المضاد الحيوي ، لذلك فقط أجيال البكتيريا ذات الطفرات المناسبة تمر في المنطقة التالية. ونتيجة لذلك ، تدخل "الميكروبات الفائقة" إلى الجولة النهائية في وسط الساحة ، أي بقدر الإمكان تغيير نمطها الجيني والنمط الظاهري كنتيجة للانتقاء التطوري (انظر عزل الانتهازيين في نهاية المقالة).

ساحة معركة الميكروبات بالمضادات الحيوية تسمى MEGA (ساحة التطور الميكروبي والنمو). تم إنشاء مثل هذه البيئة بشكل خاص بحيث مع نمو أسي في عدد البكتيريا ، لن تتنافس مع بعضها البعض للحصول على موارد محدودة ، كما هو معتاد في معظم التجارب العلمية. هنا ، الموارد غير محدودة عمليًا ، والبكتيريا مطلوبة فقط للاستيلاء على مناطق جديدة والتكيف مع الظروف المعيشية الجديدة ، وضرب أعدادها بلا حدود تقريبًا. بهذا المعنى ، فإن حركة الجبهة البكتيرية تشبه توسع الأنواع البشرية على كوكب الأرض في العصور الوسطى مع استعمار مناطق جديدة (من المفترض أن التطور الموسع للجنس البشري سيستمر خارج حدود كوكب الأرض مع استعمار جميع المناطق الصالحة للسكن في منطقة الوصول).


ساحة ميجا.إطار من الفيديو التوضيحي لكلية الطب بجامعة هارفارد .

التجربة ليس لها قيمة علمية فحسب ، بل قيمة تعليمية أيضًا. تسمح المساحة الكبيرة لساحة MEGA بالمراقبة البصرية للطفرات والانتقاء الطبيعي أثناء انتشار الجزء الأمامي من السكان البكتيريين. مشهد مثير للإعجاب.



أظهرت الدراسات السابقة أن البيئات الدقيقة المنظمة من هذا النوع تزيد من معدل التطور في المجموعات البكتيرية الصغيرة مع تغير في النمط الجيني ( Q. Zhang et al.، Science 333، 1764–1767 (2011) ). ولكن حتى الآن ، ظل السؤال حول كيفية حدوث ذلك بالضبط في عدد كبير من السكان غير مكتشف.

لمثل هذه التجربة ، تم بناء طبق بتري مستطيل بحجم 120 × 60 سم ، منظم في مناطق مع زيادة هائلة في تركيز المضاد الحيوي ثلاثي ميثوبريم من المحيط إلى المركز ، بالإضافة إلى العناصر الغذائية لتكاثر البكتيريا. لم تسمح المساحة الكبيرة في الساحة لبكتيريا E. coli بالاختلاط مع بعضها البعض من أجل مراقبة الطفرات التي تحدث بشكل أكثر وضوحًا.

يوضح الشكل (ب) تصميم ساحة MEGA ونتيجة انتشار الجبهة البكتيرية على مدى 12 يومًا ، وتشير الدوائر ذات الألوان المختلفة إلى 182 نوعًا من البكتيريا المتحولة ، ويشير اللون إلى تركيز البكتيريا. تتوافق الخطوط بين الأنواع مع اتجاه الطفرة ، بناءً على الفيديو.



مع تزايد مقاومة المضادات الحيوية باستمرار ، تظهر العديد من الخطوط التطورية الموازية في مجموعة البكتيريا ، والتي تختلف في النمط الظاهري والنمط الجيني.



بعد دراسة البكتيريا في المقدمة وخلف الجزء الأمامي من السكان البكتيريين ، اكتشف العلماء العديد من الأشياء المثيرة للاهتمام. اتضح أن التطور ليس مدفوعًا دائمًا بالبكتيريا الأكثر مقاومة للمضادات الحيوية. ومن الغريب أن الخطوط الوراثية الأكثر استقرارًا تُحاصر أحيانًا خلف البكتيريا الأكثر حساسية. على ما يبدو ، يرجع ذلك إلى طفرات "سابقة لأوانها" ، عندما تكون بعض البكتيريا جاهزة للبقاء في تركيز أعلى من المضاد الحيوي ، والتي ستظهر في المستقبل ، ولكنها لم تظهر بعد. في مثل هذه الحالة ، تفسح البكتيريا الأكثر تكيفًا الطريق لأقاربها في الجبهة ، والتي يتم تكييفها خصيصًا للتركيز الحالي الموجود في الوقت الحالي.

لاختبار هذه النظرية ، أخذ العلماء عينات من مستعمرات بكتيرية معزولة ذات طفرات "سابقة لأوانها" ووضعوها بالقوة أمام المقدمة. كما هو متوقع ، نجوا في ظل ظروف لا يمكن للجبهة البكتيرية الرئيسية أن تعيش فيها.


إن المصيدة المكانية للطفرات التعويضية هي بكتيريا تسبق وقتها لدرجة أنه حتى بعد ظهور الظروف المناسبة ، فإنها تكون مقفلة بالفعل خلف المقدمة. صورة: كلية الطب بجامعة هارفارد

درس العلماء بعناية النمط الجيني لأنواع البكتيريا الأكثر تحورًا التي تمكنت من البقاء في محلول بتركيز أقصى من تراي ميثوبريم. اتضح أنه في هذه الأنواع ، تم تحور جين folA ، الذي يشفر اختزال ثنائي هيدرو فولات (DHFR) وهو هدف ثلاثي ميثوبريم. كلما زادت مقاومة البكتيريا للمضاد الحيوي ، زادت الطفرات في هذا الجين. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على طفرات في العديد من الجينات الأخرى التي لا تتعلق بعمل مضاد حيوي معين. وكان من بينهم operons مارس و الجوارب ، والتي هي المسؤولة عن الاستجابة للضغط النفسي. كان معروفًا من قبل أن جينات "الإجهاد" تلعب دورًا مهمًا في المقاومة الناجحة للمضادات الحيوية.

وجد العلماء أيضًا أن التكيف الأفضل مع التأثير الضعيف للمضاد الحيوي يسرع بعد ذلك التكيف مع التركيزات الأعلى (في الرسم التوضيحي أدناه). إنه مثل الأشخاص القادرين على التكيف بشكل أفضل مع الظروف المعيشية المتدهورة ، إذا حدثت التغييرات بشكل تدريجي وغير محسوس.



تم وصف التجربة في مقال علمي نُشر في 9 سبتمبر 2016 في مجلة Science (doi: 10.1126 / science.aag0822).

Source: https://habr.com/ru/post/ar397303/