Ученые Техниона и Гарварда продемонстрировали эволюцию бактерий в гигантском масштабе

Устройство, названное Ареной Микробной Эволюции и Роста (MEGA), представляет собой новую платформу для изучения эволюции и поведения бактерий.  ​

Ученые медицинской школы Гарварда и Техниона​ - израильского института технологии - разработали простой метод для крупномасштабной визуализации движения бактерий по мере того, как они развивают у себя иммунитет к лекарствам.

С этой целью исследователи изготовили гигантскую "чашку Петри" размером 60 на 120 см и наполнили ее 14 литрами агара, желеобразной субстанции из морских водорослей, которая традиционно используется для выращивания бактерий в лабораторных условиях.

Для того, чтобы пронаблюдать, как бактерия Escherichia coli приспосабливается ко все более высоким дозам антибиотика, исследователи разделили чашу Петри на секции, в которых были разведены все более высокие дозы антибиотика. У самых краев чаши антибиотика не было вообще. Следующий сектор содержал минимально необходимое количество антибиотика для того, чтобы убить бактерию. Каждый следующий сектор содержал антибиотика в 10 раз больше, чем предыдущий, а в центре чаши антибиотика было в 1000 раз больше, чем в секторе с минимальной дозой.

В течение двух недель закрепленная на потолке камера периодически фиксировала происходящие. Полученный из этих снимков фильм стал уникальной демонстрацией движений бактерий, их смерти и выживания, эволюции в реальном времени, которую можно наблюдать невооруженным глазом.

Устройство, названное Ареной Микробной Эволюции и Роста (MEGA) представляет собой новую платформу для изучения эволюции и поведения бактерий.  Она позволяет наблюдать связь между пространством и эволюционными препятствиями, которые вынуждают организм меняться и приспосабливаться или умереть.

“Мы довольно хорошо знаем о внутренних защитных механизмах, которые бактерии используют для того, чтобы спастись от антибиотиков, но мы мало что знали про их физические перемещения в пространстве по мере того, как они приспосабливаются к выживанию в разных средах", - отметил Майкл Байм, исследователь системной биологии в медицинской школе Гарварда и ведущий участник проекта.

По мнению исследователей, представивших свою работу в журнале Science 9 сентября, поскольку в эволюции бактерий играют роль пространство, размер и география, то возможность их передвижения по секторам с различным содержанием антибиотика дает преимущество над стандартными тестами, когда бактерии подвергаются воздействию только одной специфической дозы препарата.
 

Киновдохновение

Изобретение родилось из педагогической необходимости - создать новые формы визуальной демонстрации процесса эволюции для студентов медицинской школы Гарварда. Ученые почерпнули идею из Голливуда. Профессор Рой Кишони, который возглавлял исследования в Гарварде, а затем - в Технионе, однажды увидел уличный экран с рекламой фильма 2011 года «Заражение» (“Contagion») о глобальной пандемии. На экране в гигантской лабораторной чаше светящиеся микробы медленно формировали название фильма.

«Этот проект принес нам огромное удовольствие», - говорит профессор Кишони. - «На нашей MEGA-чаше мы впервые смогли наблюдать сложные и зачастую скрытые эволюционные процессы, такие как мутация и селекция, наследственность, параллельная эволюция, клоновое вмешательство. Кроме того, она наглядно и весьма впечатляюще демонстрирует, как легко бактерия становится невосприимчивой к антибиотику».
 

Бактерия в движении и в эволюции

Помимо наглядной демонстрации эволюционного процесса, устройство позволило выяснить ряд ключевых сведений о поведении бактерий, на которые воздействуют увеличивающиеся дозы антибиотика. Так, наа каждом уровне концентрации антибиотика небольшая группа бактерий адаптировалась и выживала. Это было достигнуто за счет успешной аккумуляции генетических изменений. По мере развития имунных к антибиотику мутантов их потомки мигрировали уже в зоны более высокой концентрации антибиотика, конкурируя за одно и то же пространство. Победители - мутанты с самым высоким сопротивлением - смогли продержаться даже при самой высокой концентрации антибиотика.

Всего за 10 дней бактерии порождали вариации мутантов, способных выжить под воздействием антибиотика триметоприма, концентрация которого в 1000 раз выше, чем та, которая убивала исходные организмы. Когда исследователи применили другой антибиотик - ципролоксацин - бактерия породила мутацию, способную выдержать дозу, в 100 тысяч раз превышающую исходную.

Оказалось также, что наиболее приспособившиеся к антибиотику бактерии - не всегда самые быстрые. Более слабые штаммы первыми посягают на территорию с более высокой концентрацией антибиотика. По словам Майкла Байма, "самые сильные мутанты, как выяснилось, часто идут за более слабыми версиями. Близостью к цели, а не сила мутации, определяет порядок вторжения». 

В команду исследователей также входили Эрик Кельстик, Реми Хайт, Ротем Гросс и Идан Елин.

Источник: MFA
Фото: Профессор Рой Кишони с "чашкой Петри" стандартного размера / Технион