Erweiterung der Bakterienfront der Antibiotika-Arena: Ein spektakuläres Experiment an der Harvard Medical School

Mit zunehmender Antibiotikaresistenz in der Bakterienpopulation entstehen parallele Evolutionslinien, die sich in Phänotyp und Genotyp unterscheiden. Aufnahme aus dem Demo-Video der Harvard Medical School

In Laborexperimenten werden Bakterien normalerweise in einer homogenen Umgebung gezüchtet. Wissenschaftler der Harvard Medical School gingen noch weiter. Sie organisierten ein ungewöhnliches Experiment zur Entwicklung von Bakterien in einem gemischten Medium - auf einer riesigen "Schale" von 120 × 60 cm.

Der Raum wurde in Zonen mit unterschiedlichen Konzentrationen des Antibiotikums unterteilt, sodass nur Bakteriengenerationen mit geeigneten Mutationen in die nächste Zone gelangen. Infolgedessen brechen „Supermikroben“ in die Endrunde in der Mitte der Arena ein, dh sie ändern ihren Genotyp und Phänotyp infolge der evolutionären Selektion so weit wie möglich (siehe Isolierung von Opportunisten am Ende des Artikels).

Die Arena des Kampfes der Mikroben mit Antibiotika heißt MEGA (Arena für mikrobielle Evolution und Wachstum). Eine solche Umgebung wurde speziell geschaffen, damit sie bei einem exponentiellen Wachstum der Anzahl von Bakterien nicht um begrenzte Ressourcen miteinander konkurrieren, wie es in den meisten wissenschaftlichen Experimenten üblich ist. Hier sind die Ressourcen praktisch unbegrenzt, und Bakterien müssen nur neue Gebiete erobern und sich an neue Lebensbedingungen anpassen, wobei sich ihre Anzahl praktisch unbegrenzt vervielfacht. In diesem Sinne ähnelt die Bewegung der Bakterienfront der Expansion der menschlichen Spezies auf dem Planeten Erde im Mittelalter mit der Kolonisierung neuer Gebiete (vermutlich wird die expansive Entwicklung der Menschheit über die Grenzen des Heimatplaneten hinaus mit der Kolonisierung aller bewohnbaren Gebiete in der Reichweitenzone fortgesetzt).


MEGA Arena.Ein Frame aus dem Demo-Video der Harvard Medical School . Das

Experiment hat nicht nur wissenschaftlichen, sondern auch pädagogischen Wert. Der große Raum der MEGA-Arena ermöglicht die visuelle Beobachtung von Mutationen und natürlicher Selektion während der Ausbreitung der Vorderseite der Bakterienpopulation. Ein beeindruckender Anblick.



Frühere Studien haben gezeigt, dass strukturierte Mikroumgebungen dieses Typs die Evolutionsrate in kleinen Bakterienpopulationen mit einer Änderung des Genotyps erhöhen ( Q. Zhang et al., Science 333, 1764–1767 (2011) ). Bis jetzt ist die Frage, wie genau dies in großen Bevölkerungsgruppen geschieht, noch unerforscht.

Für ein solches Experiment wurde eine rechteckige Petrischale mit einer Größe von 120 × 60 cm konstruiert, die in Zonen mit einem exponentiellen Anstieg der Konzentration des Trimethoprim- Antibiotikums von der Peripherie zum Zentrum sowie Nährstoffe für die Vermehrung von Bakterien strukturiert war . Der große Bereich der Arena erlaubte es E. coli- Bakterien nicht, sich miteinander zu vermischen, um die stattfindenden Mutationen deutlicher zu beobachten.

Das Design der MEGA-Arena und das Ergebnis der Ausbreitung der Bakterienfront über 12 Tage sind in Abbildung B dargestellt. Die Kreise in verschiedenen Farben bezeichnen 182 Arten mutierter Bakterien, die Farbe gibt die Konzentration der Bakterien an. Die Linien zwischen den Arten entsprechen der Richtung der Mutation, basierend auf dem Video.



Da die Antibiotikaresistenz ständig zunimmt, treten in der Bakterienpopulation zahlreiche parallele Evolutionslinien auf, die sich in Phänotyp und Genotyp unterscheiden.



Wissenschaftler haben Bakterien an der Spitze und hinter der Front der Bakterienpopulation untersucht und mehrere interessante Dinge entdeckt. Es stellte sich heraus, dass die Evolution nicht immer von Bakterien vorangetrieben wird, die am resistentesten gegen Antibiotika sind. Seltsamerweise sind manchmal die stabilsten Erblinien hinter empfindlicheren Bakterien eingeschlossen. Anscheinend ist dies auf "vorzeitige" Mutationen zurückzuführen, wenn einige Bakterien bereit sind, in einer höheren Konzentration des Antibiotikums zu überleben, die in Zukunft auftreten wird, aber noch nicht aufgetreten ist. In einer solchen Situation weichen potenziell besser angepasste Bakterien ihren Verwandten in der Front, die speziell an die aktuelle Konzentration angepasst sind.

Um diese Theorie zu testen, nahmen Wissenschaftler Proben von isolierten Bakterienkolonien mit „vorzeitigen“ Mutationen und platzierten sie gewaltsam vor der Front. Wie erwartet überlebten sie unter Bedingungen, unter denen die Hauptbakterienfront nicht überleben kann.


Die räumliche Falle kompensatorischer Mutationen sind Bakterien, die ihrer Zeit so weit voraus sind, dass sie auch nach dem Einsetzen geeigneter Bedingungen bereits hinter der Front eingeschlossen sind. Abbildung: Harvard Medical School

Die Wissenschaftler untersuchten sorgfältig den Genotyp der am stärksten mutierten Bakterienarten, die es geschafft haben, in Lösung mit einer maximalen Konzentration an Trimethoprim zu überleben. Es stellte sich heraus, dass bei diesen Spezies das folA-Gen, das für Dihydrofolatreduktase (DHFR) kodiert und das Ziel von Trimethoprim ist, am häufigsten mutiert war. Je größer die Resistenz von Baktrien gegen ein Antibiotikum ist, desto mehr Mutationen gab es in diesem Gen. Darüber hinaus wurden Mutationen in mehreren anderen Genen gefunden, die nicht mit der Wirkung eines bestimmten Antibiotikums zusammenhängen. Unter ihnen waren die Operons mar und sox , die für die Reaktion auf Stress verantwortlich sind. Es war zuvor bekannt, dass diese „Stress“ -Gene eine wichtige Rolle für eine erfolgreiche Resistenz gegen Antibiotika spielen.

Wissenschaftler fanden auch heraus, dass eine bessere Anpassung an die schwache Wirkung des Antibiotikums anschließend die Anpassung an höhere Konzentrationen beschleunigt (in der folgenden Abbildung). Es ist genau wie bei Menschen, die sich besser an sich verschlechternde Lebensbedingungen anpassen können, wenn Veränderungen allmählich und unmerklich auftreten.



Das Experiment wird in einem wissenschaftlichen Artikel beschrieben, der am 9. September 2016 in der Zeitschrift Science (doi: 10.1126 / science.aag0822) veröffentlicht wurde.

Source: https://habr.com/ru/post/de397303/