Expansion du front bactérien de l'antibiotique Arena: une expérience spectaculaire à la Harvard Medical School

À mesure que la résistance aux antibiotiques augmente dans la population bactérienne, des lignes d'évolution parallèles apparaissent qui diffèrent en phénotype et en génotype. Tiré de la vidéo de démonstration de la Harvard Medical School

En général, dans les expériences de laboratoire, les bactéries sont élevées dans un environnement homogène. Les scientifiques de la Harvard Medical School sont allés plus loin. Ils ont organisé une expérience inhabituelle sur l'évolution des bactéries dans un milieu mixte - sur un énorme "plat" mesurant 120 × 60 cm.

L'espace a été divisé en zones avec différentes concentrations de l'antibiotique, donc seules les générations de bactéries avec des mutations appropriées passent dans la zone suivante. En conséquence, les «supermicrobes» pénètrent dans le dernier tour au centre de l'arène, c'est-à-dire, autant que possible, en changeant leur génotype et phénotype à la suite d'une sélection évolutive (voir l'isolement des opportunistes à la fin de l'article).

L'arène de la bataille des microbes avec les antibiotiques s'appelle MEGA (évolution microbienne et arène de croissance). Un tel environnement a été spécialement créé pour que, avec une croissance exponentielle du nombre de bactéries, elles ne rivalisent pas pour des ressources limitées, comme c'est la coutume dans la plupart des expériences scientifiques. Ici, les ressources sont pratiquement illimitées et les bactéries ne sont nécessaires que pour s'emparer de nouveaux territoires et s'adapter à de nouvelles conditions de vie, en multipliant leur nombre sans pratiquement aucune limite. En ce sens, le mouvement du front bactérien ressemble à l'expansion de l'espèce humaine sur la planète Terre au Moyen Âge avec la colonisation de nouveaux territoires (vraisemblablement, le développement expansif de la race humaine se poursuivra au-delà des frontières de la planète d'origine avec la colonisation de tous les territoires habitables dans la zone de portée).


MEGA Arena.Un cadre de la vidéo de démonstration de la Harvard Medical School . L'

expérience a non seulement une valeur scientifique, mais aussi pédagogique. Le grand espace de l'arène MEGA permet l'observation visuelle des mutations et de la sélection naturelle lors de la propagation du front de la population bactérienne. Une vue impressionnante.



Des études antérieures ont montré que les microenvironnements structurés de ce type augmentent le taux d'évolution dans les petites populations bactériennes avec un changement de génotype ( Q. Zhang et al., Science 333, 1764-1767 (2011) ). Mais jusqu'à présent, la question de savoir comment cela se produit exactement dans de grandes populations est restée inexplorée.

Pour une telle expérience, une boîte de Pétri rectangulaire de 120 × 60 cm a été construite, structurée en zones avec une augmentation exponentielle de la concentration de l'antibiotique triméthoprime de la périphérie vers le centre, ainsi que des nutriments pour la reproduction des bactéries. La grande surface de l'arène n'a pas permis aux bactéries E. coli de se mélanger les unes aux autres afin d'observer plus clairement les mutations en cours.

La conception de l'arène MEGA et le résultat de la propagation du front bactérien sur 12 jours sont illustrés à la figure B. 182 espèces de bactéries mutées sont indiquées par des cercles de différentes couleurs, la couleur indique la concentration de bactéries. Les lignes entre les espèces correspondent à la direction de la mutation, basée sur la vidéo.



Comme la résistance aux antibiotiques augmente constamment, de nombreuses lignées évolutives parallèles apparaissent dans la population bactérienne, qui diffèrent en phénotype et en génotype.



Après avoir étudié les bactéries au premier plan et derrière le front de la population bactérienne, les scientifiques ont découvert plusieurs choses intéressantes. Il s'est avéré que l'évolution n'est pas toujours entraînée par les bactéries les plus résistantes aux antibiotiques. Curieusement, parfois les lignées héréditaires les plus stables sont emprisonnées derrière des bactéries plus sensibles. Apparemment, cela est dû à des mutations "prématurées", lorsque certaines bactéries sont prêtes à survivre dans une concentration plus élevée de l'antibiotique, qui apparaîtra à l'avenir, mais n'est pas encore apparue. Dans une telle situation, des bactéries potentiellement plus adaptées cèdent la place à leurs proches à l'avant, qui sont spécifiquement adaptés à la concentration actuelle qui existe à l'heure actuelle.

Pour tester cette théorie, les scientifiques ont prélevé des échantillons de colonies bactériennes isolées présentant des mutations «prématurées» et les ont placées de force devant le front. Comme prévu, ils ont survécu dans des conditions dans lesquelles le front bactérien principal ne peut pas survivre.


Le piège spatial des mutations compensatoires est une bactérie tellement en avance sur son temps que même après le début de conditions propices, elle est déjà enfermée derrière le front. Illustration: École de médecine de Harvard

Les scientifiques ont soigneusement étudié le génotype des espèces de bactéries les plus mutées qui ont réussi à survivre en solution avec une concentration maximale de triméthoprime. Il s'est avéré que chez ces espèces, le gène folA, qui code pour la dihydrofolate réductase (DHFR) et est la cible du triméthoprime, a été le plus souvent muté. Plus la résistance des bactéries à un antibiotique est grande, plus il y a de mutations dans ce gène. De plus, des mutations ont été trouvées dans plusieurs autres gènes qui ne sont pas liés à l'action d'un antibiotique particulier. Parmi eux se trouvaient les opérons mar et sox , qui sont responsables de la réaction au stress. On savait auparavant que ces gènes de «stress» jouent un rôle important pour une résistance réussie aux antibiotiques.

Les scientifiques ont également constaté qu'une meilleure adaptation au faible effet de l'antibiotique accélère ensuite l'adaptation à des concentrations plus élevées (dans l'illustration ci-dessous). C’est comme les gens qui sont capables de mieux s’adapter à la détérioration des conditions de vie, si les changements se produisent progressivement et imperceptiblement.



L'expérience est décrite dans un article scientifique publié le 9 septembre 2016 dans la revue Science (doi: 10.1126 / science.aag0822).

Source: https://habr.com/ru/post/fr397303/