Expansión del frente bacteriano de arena antibiótica: un experimento espectacular en la Facultad de Medicina de Harvard

A medida que aumenta la resistencia a los antibióticos en la población bacteriana, surgen líneas paralelas de evolución que difieren en el fenotipo y el genotipo. Tomada del video de demostración de la Facultad de Medicina de Harvard

Por lo general, en experimentos de laboratorio, las bacterias se crían en un ambiente homogéneo. Los científicos de la Escuela de Medicina de Harvard fueron más allá. Organizaron un experimento inusual sobre la evolución de las bacterias en un medio mixto, en un enorme "plato" que mide 120 × 60 cm.

El espacio se dividió en zonas con diferentes concentraciones de antibiótico, por lo que solo las generaciones de bacterias con mutaciones adecuadas pasan a la siguiente zona. Como resultado, los "supermicrobios" se abren paso en la ronda final en el centro de la arena, es decir, cambiando lo más posible su genotipo y fenotipo como resultado de la selección evolutiva (ver aislamiento de oportunistas al final del artículo).

La arena de la batalla de los microbios con antibióticos se llama MEGA (arena de crecimiento y evolución microbiana). Tal entorno fue creado especialmente para que con un crecimiento exponencial en el número de bacterias, no competirían entre sí por recursos limitados, como es habitual en la mayoría de los experimentos científicos. Aquí, los recursos son prácticamente ilimitados, y las bacterias solo son necesarias para apoderarse de nuevos territorios y adaptarse a las nuevas condiciones de vida, multiplicando su número prácticamente sin límites. En este sentido, el movimiento del frente bacteriano se asemeja a la expansión de la especie humana en el planeta Tierra en la Edad Media con la colonización de nuevos territorios (presumiblemente, el desarrollo expansivo de la raza humana continuará más allá de las fronteras del planeta de origen con la colonización de todos los territorios habitables en la zona de alcance).


MEGA Arena.Un fotograma del video de demostración de la Harvard Medical School . El

experimento no solo tiene valor científico, sino también educativo. El gran espacio de la arena MEGA permite la observación visual de mutaciones y la selección natural durante la propagación del frente de la población bacteriana. Una vista impresionante.



Estudios anteriores han demostrado que los microambientes estructurados de este tipo aumentan la tasa de evolución en pequeñas poblaciones bacterianas con un cambio en el genotipo ( Q. Zhang et al., Science 333, 1764-1767 (2011) ). Pero hasta ahora, la cuestión de cómo sucede exactamente esto en grandes poblaciones ha permanecido sin explorar.

Para tal experimento, se construyó una placa de Petri rectangular de 120 × 60 cm de tamaño, estructurada en zonas con un aumento exponencial en la concentración del antibiótico trimetoprima desde la periferia hasta el centro, así como nutrientes para la reproducción de bacterias. El área grande de la arena no permitió que las bacterias E. coli se mezclaran entre sí para observar más claramente las mutaciones que tienen lugar.

El diseño de la arena MEGA y el resultado de la propagación del frente bacteriano durante 12 días se muestran en la Figura B. 182 especies de bacterias mutadas se indican mediante círculos de diferentes colores; el color indica la concentración de bacterias. Las líneas entre las especies corresponden a la dirección de la mutación, según el video.



Como la resistencia a los antibióticos aumenta constantemente, aparecen numerosas líneas evolutivas paralelas en la población bacteriana, que difieren en el fenotipo y el genotipo.



Habiendo estudiado las bacterias al frente y detrás del frente de la población bacteriana, los científicos han descubierto varias cosas interesantes. Resultó que la evolución no siempre es impulsada por bacterias que son más resistentes a los antibióticos. Curiosamente, a veces las líneas hereditarias más estables están atrapadas detrás de bacterias más sensibles. Aparentemente, esto se debe a mutaciones "prematuras", cuando algunas bacterias están listas para sobrevivir en una concentración más alta del antibiótico, que aparecerá en el futuro, pero aún no ha aparecido. En tal situación, las bacterias potencialmente más adaptadas dan paso a sus parientes en el frente, que se adaptan específicamente a la concentración actual que existe en este momento.

Para probar esta teoría, los científicos tomaron muestras de colonias bacterianas aisladas con mutaciones "prematuras" y las colocaron por la fuerza delante del frente. Como se esperaba, sobrevivieron en condiciones en las que el frente bacteriano principal no puede sobrevivir.


La trampa espacial de las mutaciones compensatorias son las bacterias que están tan adelantadas a su tiempo que incluso después del inicio de las condiciones adecuadas, ya están encerradas detrás del frente. Ilustración: Harvard Medical School

Los científicos estudiaron cuidadosamente el genotipo de las especies de bacterias más mutadas que lograron sobrevivir en solución con una concentración máxima de trimetoprima. Resultó que en estas especies, el gen folA, que codifica la dihidrofolato reductasa (DHFR) y es el objetivo de trimetoprima, fue mutado con mayor frecuencia. Cuanto mayor era la resistencia de las bactrias a un antibiótico, más mutaciones había en este gen. Además, se encontraron mutaciones en varios otros genes que no están relacionados con la acción de un antibiótico en particular. Entre ellos estaban los operones mar y sox , que son responsables de la reacción al estrés. Anteriormente se sabía que estos genes de "estrés" juegan un papel importante para una resistencia exitosa a los antibióticos.

Los científicos también encontraron que una mejor adaptación al efecto débil del antibiótico acelera posteriormente la adaptación a concentraciones más altas (en la siguiente ilustración). Es como las personas que pueden adaptarse mejor a las condiciones de vida deterioradas, si los cambios ocurren de forma gradual e imperceptible.



El experimento se describe en un artículo científico publicado el 9 de septiembre de 2016 en la revista Science (doi: 10.1126 / science.aag0822).

Source: https://habr.com/ru/post/es397303/