Біологи з Технологічного інституту в Хайфі і Гарвардської медичної школи простежили за виникненням і еволюцією стійкості до антибіотиків серед бактерій, що живуть на почесному середовищі. Результати експериментів показали, що структура того простору, де живуть мікроорганізми, відіграє дуже важливу роль у визначенні шляхів їх еволюції. І закони цієї еволюції дуже відрізняються від того, що вчені зазвичай спостерігають у лабораторних експериментах у рідкому середовищі. Роботу опубліковано в журналі.
Проблема виникнення стійкості до антибіотиків і вичерпання ресурсу ефективних антимікробних речовин є однією з найгостріших у сучасній медицині. Наприклад, вже зараз існують так звані «супербактерії» - штами бактерій, які нечутливі до всіх відомих антибіотиків, в т. ч. останнього ешелону (про те, як так вийшло, ми вже докладно писали). При цьому механізми формування стійкості до антибіотиків вивчені на сьогоднішній день тільки фрагментарно.
Наприклад, добре відомі так звані гени множинної втомленості, які бактерії передають один одному на портативних ДНК-носіях, плазмідах. Більшість з цих генів кодують молекулярні помпи, які вміють викачувати різноманітні антибіотики з клітини назовні. Відносно добре відомі і механізми, які використовують для власного захисту ті бактерії, які самі виробляють антимікробні речовини. Однак стійкість до антибіотиків може бути пов'язана не тільки з придбанням «захисних» генів, але і з мутаціями в тих генах, які, на перший погляд, ніякого відношення до антибіотиків не мають.
Таку спонтанну стійкість теж вивчають, але, як з'ясовується, не завжди висновки, зроблені в лабораторних умовах, можуть бути застосовані в клінічному досвіді. Справа в тому, що зазвичай експерименти з «еволюції-в-пробірці», де вчені намагаються простежити за виникненням стійкості, проводять в рідкому середовищі - це дозволяє працювати з великою кількістю бактерій і знаходити дуже рідкісні мутації. Однак рідке середовище принципово відрізняється від більшості природних місць проживання бактерій. У реальності мікроорганізми зазвичай формують складні спільноти (біоплівки) на слизових оболонках тканин, на поверхні продуктів тощо. Навіть без урахування взаємодій між різними видами в біоплівці зростання в такому складно влаштованому середовищі принципово відрізняється від росту в рідині. Насамперед тим, що там не відбувається постійного перемішування, а значить і концентрація антибіотиків і правила конкуренції за харчові ресурси влаштовані зовсім інакше.
Щоб наблизитися до правильного розуміння виникнення стійкості до антибіотиків, автори нової роботи відтворили експеримент з «еволюції-в-пробірки» - але не в пробірці, а в почесному середовищі. Для цього вони створили величезну (за лабораторними мірками) чашку Петрі, в якій колонії могли рости, боротися за ресурси і еволюціонувати протягом тривалого часу. За тим, як це відбувається, вчені спостерігали за допомогою таймлапс-зйомки, а деякі окремі колонії були ще й відсеквеновані на предмет нових мутацій. Чашка була влаштована таким чином, що в нижній її частині знаходилися смужки з антибіотиків в різній концентрації, а зверху був залитий тонкий шар живильного середовища, по якому могли рухатися бактерії.
Градієнт антибіотика був ступеневий, з різким (на порядок) збільшенням концентрації речовини від однієї смуги до іншої. Тому, коли бактерій підсаджували у вихідну точку, вони спочатку заповнювали смугу чашки без антибіотика, а тільки потім починали рухатися туди, де були не тільки свіжі ресурси, але й антибіотик. Стійкі бактерії спочатку заповнювали одну смугу, потім, - якщо виникала нова мутація, що підвищує стійкість до підвищеної концентрації - іншу, і рухалися так поки не доходили до смуги з максимальною концентрацією.
Заселяти нову територію могли тільки бактерії, які набували за рахунок спонтаних мутацій стійкість. На таймлапс-відео добре помітно, як поява таких індивідуальних бактерій призводить до формування цілих «віялів» колонізаторів, які поширюються по новій території. Важлива особливість експерименту в почесному середовищі полягала в тому, що заселення будь-якої ділянки території виснажувало його ресурси і робило вже не привабливим для повторної колонізації іншими бактеріями. Тому на чашці поступово формувалися складні, майже деревовидні структури, де майже кожна точка була зайнята тільки нащадками однієї клітини. Вивчаючи структуру і генетику такого «дерева колоністів», вчені могли стежити за тим, як проходила еволюція бактерій.
З результатів спостереження «еволюції-в-пробірці», які наводять вчені, можна зробити два основних висновки.
По-перше, експеримент підтвердив, що для появи стійкості дуже важлива наявність антибіотика в проміжних концентраціях. Коли з усього спектру концентрацій вчені залишали на чашці тільки нульовий і максимальний, то жодна бактерія так і не змогла набути стійкості. Якщо ж перехід від нуля до максимуму був поступовим (хоча б через два щаблі), то та ж сама максимальна концентрація ставала доступною для бактерій, що мутували. Це показує, наскільки важливо (в клінічному сенсі) дотримуватися дозування і режиму прийому антибіотика - недостатність концентрації або часу прийому призводить до швидкого формування стійкості, до появи мутантів, з якими вже не можна впоратися.
Другий висновок полягає в тому, що справжнє середовище по-іншому діє на еволюцію бактерій. Якщо в рідкому середовищі перевагу отримують ті клітини, які володіють максимальною швидкістю росту при даній концентрації речовини, то в на чашках важлива не тільки сама стійкість, але і швидкість її придбання. На знімках чашок видно, що часто вже після того, як перші «колоністи» заповнювали нову територію, на ній виникали колонії з більш вдалими мутаціями. Такі колонії росли значно швидше тих, що вихідно заселяли територію, і навіть могли їх пригнічувати (якщо тих штучно перенести на «фронтову лінію»). Однак у більшості своїй вдалі мутації виникали занадто пізно, коли основні ресурси середовища вже були витрачені. Тому такі «супер-колонії» виявлялися відрізаними від фронту колонізації, розвивалися в ізоляції і не впливали на розвиток усієї спільноти, перетворюючись, таким чином, на тупикові веті еволюції.