抗生素竞技场细菌前部扩张：哈佛医学院的壮观实验

随着细菌种群中抗生素抗性的增加，出现了在表型和基因型上不同的平行进化线。哈佛医学院演示视频拍摄的镜头

通常，在实验室实验中，细菌是在均质的环境中繁殖的。哈佛医学院的科学家走得更远。他们组织了一个关于混合培养基中细菌进化的不寻常实验 -在尺寸为120×60厘米的巨大“皿”上进行。

该空间分为不同浓度的抗生素区域，因此只有具有适当突变的细菌世代进入下一区域。结果，“超微生物”闯入了竞技场中心的最后一轮，也就是说，由于进化选择，尽可能地改变了它们的基因型和表型（请参阅文章末尾的机会主义者隔离）。

微生物与抗生素斗争的舞台被称为MEGA（微生物进化和生长舞台）。这种环境是专门创建的，因此随着细菌数量的指数增长，它们将不会像大多数科学实验中那样相互竞争有限的资源。在这里，资源实际上是无限的，细菌只需要抓住新的领土并适应新的生活条件，其数量便几乎没有限制。从这个意义上讲，细菌前沿的运动类似于中世纪人类在新星球上的殖民扩张（据推测，人类的广泛发展将继续超越本星球的边界，而在可到达区域内所有可居住领土的殖民化也将继续）。


巨型竞技场。哈佛医学院演示视频的框架，该

实验不仅具有科学意义，而且具有教育价值。 MEGA竞技场的大空间允许在细菌种群的前端扩散过程中目视观察突变和自然选择。令人印象深刻的景象。



先前的研究表明，这种类型的结构化微环境随着基因型的改变而增加了小细菌种群的进化速度（Q. Zhang等人，Science 333，1764-1767（2011））。但是直到现在，关于这一点在大批人口中到底如何发生的问题仍未得到探讨。

对于这样的实验，构建了一个大小为120×60 cm的矩形培养皿，该培养皿被构造为甲氧苄啶抗生素的浓度从外围到中心呈指数增长的区域，以及细菌繁殖所需的营养。竞技场的大面积不允许大肠杆菌细菌相互混合，以便更清楚地观察发生的突变。

图B显示了MEGA竞技场的设计以及细菌前沿在12天内扩散的结果。不同颜色的圆圈表示182种突变细菌，颜色表示细菌的浓度。根据视频，物种之间的线对应于突变的方向。



随着抗生素抗性的不断提高，细菌种群中出现了许多平行的进化系，它们在表型和基因型上都不同。



在研究了细菌种群最前沿和最前沿的细菌之后，科学家们发现了一些有趣的东西。事实证明，进化并非总是由对抗生素最有抵抗力的细菌推动。奇怪的是，有时最稳定的遗传系会被困在更敏感的细菌后面。显然，这是由于“过早的”突变，当某些细菌准备在较高浓度的抗生素中生存时，这种细菌会在将来出现，但尚未出现。在这种情况下，潜在的适应性更强的细菌让位于其亲戚的前面，而这些亲戚专门适应当前的当前浓度。

为了验证这一理论，科学家从带有“过早”突变的孤立细菌菌落中取样，并将其强行置于前部。如预期的那样，它们在主要细菌锋不能存活的条件下存活。


代偿性突变的空间陷阱是细菌，它们早于它们的时间，以至于即使在合适的条件发生之后，它们也已经被锁定在前面。插图：哈佛医学院

科学家们仔细研究了突变程度最高的细菌的基因型，这些细菌设法在最大浓度的甲氧苄啶中在溶液中存活。事实证明，在这些物种中，编码二氢叶酸还原酶（DHFR）且是甲氧苄啶的靶标的folA基因最常发生突变。细菌对抗生素的抵抗力越大，该基因中的突变就越多。此外，在其他几种基因中发现了与特定抗生素作用无关的突变。其中有操​​纵子mar和sox，它们负责对压力的反应。先前已经知道，这些“应激”基因对于成功抵抗抗生素起着重要作用。

科学家还发现，更好地适应抗生素的弱效作用随后会加速其适应更高浓度的药物（如下图所示）。就像人们能够逐渐，无意识地发生变化那样，他们能够更好地适应不断恶化的生活条件。



该实验在2016年9月9日发表在《科学》杂志（doi：10.1126 / science.aag0822）上的科学文章中进行了描述。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN397303/