
Биологи
из Технологического института в Хайфе
и Гарвардской медицинской школы
проследили за возникновением и эволюцией
устойчивости к антибиотикам среди
бактерий, живущих на двумерной среде.
Результаты экспериментов показали, что
структура того пространства, где живут
микроорганизмы, играет очень важную
роль в определении путей их эволюции. И законы этой эволюции сильно
отличаются от того, что ученые обычно
наблюдают в лабораторных экспериментах
в жидкой среде. Работа опубликована в
журнале Science.
Проблема
возникновения устойчивости к антибиотикам и исчерпания
ресурса эффективных антимикробных веществ является одной из самых острых в
современной медицине. Например, уже
сейчас существуют так называемые «супербактерии» — штаммы бактерий,
которые нечувствительны
ко всем известным антибиотикам, в т.ч. последнего
эшелона (о том,
как так вышло, мы уже подробно писали).
При этом механизмы
формирования устойчивости к антибиотикам
изучены на сегодняшний день только
фрагментарно.
Например,
хорошо известны так называемые гены
множественной усточивости, которые
бактерии передают друг другу на
портативных ДНК-носителях, плазмидах.
Большинство из этих генов кодируют молекулярные помпы, которые умеют выкачивать разнообразные антибиотики из клетки наружу.
Относительно хорошо известны и механизмы,
которые используют для собственной
защиты те бактерии, которые сами
вырабатывают антимикробные вещества.
Однако устойчивость к антибиотикам может быть связана
не только с приобретением «защитных»
генов, но и с мутациями в тех генах, которые,
на первый взгляд, никакого отношения к
антибиотикам не имеют. 
Такую
спонтанную устойчивость тоже изучают,
но, как выясняется, не всегда выводы,
сделанные в лабораторных условиях,
могут быть применимы в клиническом
опыте. Дело в том, что обычно эксперименты
по «эволюции-в-пробирке», где ученые
пытаются проследить за возникновением
устойчивости, проводят в жидкой среде
— это позволяет работать с большим
количеством бактерий и находить очень редкие
мутации. Однако жидкая среда принципиально
отличается от большинства естественных
мест обитания бактерий. В реальности микроорганизмы обычно
формируют сложные сообщества (биопленки)
на слизистых оболочках тканей, на
поверхности продуктов и т. д. Даже
без учета взаимодействий между разными
видами в биопленке рост в такой сложно устроенной среде принципиально
отличается от роста в жидкости. Прежде всего тем, что там не происходит
постоянного перемешивания, а значит и
концентрация антибиотиков и правила
конкуренции за пищевые ресурсы устроены
совсем иначе.
Чтобы
приблизится к правильному пониманию возникновения устойчивости к антибиотикам, авторы новой работы
воспроизвели эксперимент по
«эволюции-в-пробирке» — но не в пробирке, а
в двумерной среде. Для этого они создали
огромную (по лабораторным меркам) чашку
Петри, в которой колонии могли расти,
бороться за ресурсы и эволюционировать
в течение длительного времени. За тем,
как это происходит, ученые наблюдали с
помощью таймлапс-съемки, а некоторые отдельные
колонии были еще и отсеквенированы на предмет новых мутаций.
Чашка была устроена
таким образом, что в нижней ее части
находились полоски с антибиотиков в
разной концентрации, а сверху был залит
тонкий слой питательной среды, по
которому могли двигаться бактерии. 
Градиент
антибиотика был ступенчатый, с резким
(на порядок) увеличением концентрации
вещества от одной полосы к другой.
Поэтому, когда бактерий подсаживали в
исходную точку, они сначала заполняли
полосу чашки без
антибиотика, а только потом начинали
двигаться туда, где были
не только свежие ресурсы, но и антибиотик. Устойчивые бактерии сначала заполняли одну полосу, потом, — если возникала новая мутация, повышающая устойчивость к повышенной концентрации — другую, и двигались так пока не доходили до полосы с максимальной концентрацией.
