Antibiotic Arena Ekspansi Front Bakteri: Eksperimen Spektakuler di Harvard Medical School

Ketika resistensi antibiotik meningkat dalam populasi bakteri, garis paralel evolusi muncul yang berbeda dalam fenotipe dan genotipe. Diambil dari video demo Harvard Medical School

Biasanya, dalam percobaan laboratorium, bakteri dikembangbiakkan di lingkungan yang homogen. Ilmuwan dari Harvard Medical School melangkah lebih jauh. Mereka mengorganisir percobaan yang tidak biasa pada evolusi bakteri dalam media campuran - pada "piring" besar berukuran 120 × 60 cm.

Ruang itu dibagi menjadi zona-zona dengan konsentrasi antibiotik yang berbeda, jadi hanya generasi bakteri dengan mutasi yang sesuai yang masuk ke zona berikutnya. Akibatnya, "supermicrobes" menerobos ke babak final di tengah arena, yaitu, sebanyak mungkin mengubah genotipe dan fenotip mereka sebagai hasil seleksi evolusioner (lihat isolasi oportunis di akhir artikel).

Arena pertempuran mikroba dengan antibiotik disebut MEGA (evolusi mikroba dan arena pertumbuhan). Lingkungan seperti itu secara khusus diciptakan sehingga dengan pertumbuhan eksponensial dalam jumlah bakteri, mereka tidak akan bersaing satu sama lain untuk sumber daya yang terbatas, seperti yang biasa dalam kebanyakan eksperimen ilmiah. Di sini, sumber daya praktis tidak terbatas, dan bakteri hanya diperlukan untuk merebut wilayah baru dan beradaptasi dengan kondisi kehidupan baru, melipatgandakan jumlah mereka tanpa batas. Dalam hal ini, pergerakan front bakteri menyerupai ekspansi spesies manusia di planet Bumi pada Abad Pertengahan dengan kolonisasi wilayah baru (mungkin, pengembangan luas ras manusia akan terus berlanjut di luar batas planet rumah dengan kolonisasi semua wilayah yang dapat dihuni di zona jangkauan).


MEGA Arena.Sebuah bingkai dari video demo Harvard Medical School .

Eksperimen ini tidak hanya memiliki nilai ilmiah, tetapi juga pendidikan. Ruang besar arena MEGA memungkinkan pengamatan visual mutasi dan seleksi alam selama penyebaran bagian depan populasi bakteri. Pemandangan yang mengesankan.



Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa lingkungan mikro terstruktur dari tipe ini meningkatkan laju evolusi pada populasi bakteri kecil dengan perubahan genotipe ( Q. Zhang et al., Science 333, 1764–1767 (2011) ). Tetapi sampai sekarang, pertanyaan tentang bagaimana tepatnya ini terjadi dalam populasi besar tetap belum diselidiki.

Untuk percobaan seperti itu, cawan Petri berbentuk persegi panjang berukuran 120 × 60 cm dibangun, terstruktur menjadi zona dengan peningkatan eksponensial dalam konsentrasi antibiotik trimetoprim dari perifer ke pusat, serta nutrisi untuk pertumbuhan bakteri. Area yang luas dari arena tidak memungkinkan bakteri E.coli saling bercampur untuk mengamati mutasi yang terjadi dengan lebih jelas.

Desain arena MEGA dan hasil penyebaran bagian depan bakteri selama 12 hari ditunjukkan pada Gambar B. 182 spesies bakteri termutasi ditunjukkan oleh lingkaran warna yang berbeda, warna menunjukkan konsentrasi bakteri. Garis-garis antara spesies sesuai dengan arah mutasi, berdasarkan video.



Karena resistensi antibiotik terus meningkat, banyak garis evolusi paralel muncul dalam populasi bakteri, yang berbeda dalam fenotipe dan genotipe.



Setelah mempelajari bakteri di garis depan dan di belakang bagian depan populasi bakteri, para ilmuwan telah menemukan beberapa hal menarik. Ternyata evolusi tidak selalu didorong oleh bakteri yang paling kebal terhadap antibiotik. Anehnya, kadang-kadang garis keturunan paling stabil terperangkap di belakang bakteri yang lebih sensitif. Tampaknya, ini disebabkan oleh mutasi "prematur", ketika beberapa bakteri siap untuk bertahan dalam konsentrasi antibiotik yang lebih tinggi, yang akan muncul di masa depan, tetapi belum muncul. Dalam situasi seperti itu, bakteri yang berpotensi beradaptasi lebih banyak memberi jalan kepada kerabat mereka di depan, yang disesuaikan secara khusus dengan konsentrasi saat ini yang ada saat ini.

Untuk menguji teori ini, para ilmuwan mengambil sampel koloni bakteri yang terisolasi dengan mutasi "prematur" dan menempatkannya di depan secara paksa. Seperti yang diharapkan, mereka bertahan dalam kondisi di mana bagian depan bakteri utama tidak dapat bertahan hidup.


Jebakan spasial dari mutasi kompensasi adalah bakteri yang begitu mendahuluinya sehingga bahkan setelah awal kondisi yang sesuai, mereka sudah terkunci di belakang bagian depan. Ilustrasi: Sekolah Kedokteran Harvard

Para ilmuwan dengan cermat mempelajari genotipe spesies bakteri yang paling bermutasi yang berhasil bertahan dalam larutan dengan konsentrasi maksimum trimethoprim. Ternyata pada spesies ini, gen folA, yang mengkode dihydrofolate reductase (DHFR) dan merupakan target trimethoprim, paling sering bermutasi. Semakin besar resistensi baktria terhadap antibiotik, semakin banyak mutasi pada gen ini. Selain itu, mutasi ditemukan pada beberapa gen lain yang tidak terkait dengan aksi antibiotik tertentu. Diantaranya adalah operon mar dan sox , yang bertanggung jawab atas reaksi stres. Sebelumnya diketahui bahwa gen "stres" ini memainkan peran penting untuk keberhasilan resistensi terhadap antibiotik.

Para ilmuwan juga menemukan bahwa adaptasi yang lebih baik terhadap efek lemah antibiotik selanjutnya mempercepat adaptasi ke konsentrasi yang lebih tinggi (dalam ilustrasi di bawah). Sama seperti orang-orang yang mampu beradaptasi lebih baik dengan kondisi kehidupan yang memburuk, jika perubahan terjadi secara bertahap dan tanpa terasa.



Percobaan ini dijelaskan dalam artikel ilmiah yang diterbitkan pada 9 September 2016 di jurnal Science (doi: 10.1126 / science.aag0822).

Source: https://habr.com/ru/post/id397303/