抗生物質耐性の「スーパーバグ」の進化をミニチュアで再現

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ビデオ: 薬が効かない「薬剤耐性菌」とは 加藤綾子【3分でわかる】 2022, 十一月
抗生物質耐性の「スーパーバグ」の進化をミニチュアで再現
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Anonim
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細菌コロニーの2つの前面の相互方向への移動。中央では抗生物質の濃度が最大です。

ハイファ工科大学とハーバード大学医学部の生物学者は、二次元環境に生息する細菌の抗生物質耐性の出現と進化を追跡しました。実験の結果は、微生物が生息する空間の構造が、微生物の進化の経路を決定する上で非常に重要な役割を果たしていることを示しました。そして、この進化の法則は、科学者が液体媒体での実験室で通常観察するものとは大きく異なります。この作品はジャーナルScienceに掲載されました。

抗生物質に対する耐性の出現と効果的な抗菌物質の資源の枯渇の問題は、現代医学で最も深刻な問題の1つです。たとえば、すでにいわゆる「スーパーバグ」があります。これは、既知のすべての抗生物質に反応しない細菌株です。最後の段階(それがどのように起こったかについてはすでに詳細に書いています)。同時に、抗生物質耐性の形成のメカニズムは、これまで断片的にしか研究されていません。

例えば、細菌が携帯型DNA担体であるプラスミド上で互いに伝染する、いわゆる多剤耐性遺伝子はよく知られています。これらの遺伝子のほとんどは、細胞からさまざまな抗生物質を送り出す分子ポンプをコードしています。それ自体が抗菌物質を生成する細菌による自身の防御に使用されるメカニズムは、比較的よく知られています。しかし、抗生物質耐性は、「保護」遺伝子の獲得だけでなく、一見抗生物質とは何の関係もない遺伝子の突然変異にも関連している可能性があります。

このような自発的な抵抗も研究されていますが、結局のところ、実験室の条件でなされた結論は、臨床経験に常に適用できるとは限りません。事実、科学者が耐性の出現を追跡しようとしている「試験管内の進化」の実験は、通常、液体媒体で行われています。これにより、多数の細菌を処理して、非常に多くの細菌を見つけることができます。まれな突然変異。ただし、液体環境は、細菌のほとんどの自然生息地とは根本的に異なります。実際には、微生物は通常、組織の粘膜や製品の表面などに複雑なコミュニティ(バイオフィルム)を形成します。バイオフィルム内の異なる種間の相互作用を考慮しなくても、このような複雑な環境での成長は根本的に異なります。液体中での成長。まず第一に、一定の混合がないという事実は、抗生物質の濃度と食料資源の競争のルールが完全に異なる方法で配置されていることを意味します。

抗生物質耐性の出現を正しく理解するために、新作の著者は「試験管内での進化」に関する実験を再現しましたが、試験管ではなく、2次元環境で再現しました。これを行うために、彼らはコロニーが成長し、資源を求めて戦い、そして長い間進化することができる巨大な(実験室の基準による)ペトリ皿を作成しました。これがどのように起こるか、科学者はタイムラプス写真を使用して観察し、いくつかの個々のコロニーも新しい突然変異について配列決定されました。カップの下部には、さまざまな濃度の抗生物質のストリップがあり、その上に栄養培地の薄層が注がれ、バクテリアが移動できるように配置されました。

抗生物質の勾配は段階的であり、あるバンドから別のバンドへと物質の濃度が急激に(桁違いに)増加しました。したがって、細菌が開始点で植えられたとき、それらは最初に抗生物質なしで皿のストリップを満たし、それから新鮮な資源だけでなく抗生物質もある場所に移動し始めました。耐性菌は最初に1つのバンドを満たし、次に-濃度の増加に対する耐性を高める新しい突然変異が発生した場合-別のバンドを満たし、最大濃度のバンドに到達するまで移動しました。

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自発的な突然変異のために耐性を獲得したバクテリアだけが新しい領域にコロニーを作ることができました。タイムラプスビデオは、そのような個々のバクテリアの出現が、新しい領域に広がるコロニー形成者の「ファン」全体の形成にどのようにつながるかを明確に示しています。二次元環境での実験の重要な特徴は、領土の任意の部分の植民地化がその資源を使い果たし、他の細菌による再植民地化にとってもはや魅力的ではなくなったことでした。そのため、皿の上には複雑でほぼ木のような構造が徐々に形成され、ほぼすべての点が1つの細胞の子孫によってのみ占められていました。そのような「入植者の木」の構造と遺伝学を研究することによって、科学者はバクテリアの進化を追跡することができました。

科学者が引用している「テスト中の進化」の観察結果から、2つの主要な結論を引き出すことができます。

まず、実験により、中濃度の抗生物質の存在が耐性の出現に非常に重要であることが確認されました。濃度の全スペクトルから、科学者がプレート上にゼロと最大のみを残した場合、単一の細菌が耐性を獲得することができませんでした。ゼロから最大への移行が段階的であった場合(少なくとも2つのステップの後)、同じ最大濃度が変異した細菌で利用可能になりました。これは、抗生物質摂取の投与量とレジメンを観察することが(臨床的な意味で)どれほど重要であるかを示しています-不十分な濃度または投与時間は、耐性の急速な形成につながり、もはや対処できない変異体の出現につながります。

2番目の結論は、2次元環境が細菌の進化に異なる影響を与えるということです。液体培地において、物質の所与の濃度で最大の増殖速度を有する細胞によって利点が得られる場合、プレート上では、安定性自体だけでなく、その獲得の速度も重要である。カップの写真は、最初の「植民者」が新しい領域を埋めた後、より成功した突然変異を持ったコロニーがそこに現れたことをしばしば示しています。そのようなコロニーは、最初に領土に住んでいたものよりもはるかに速く成長し、それらを抑制することさえできました(それらが人為的に「最前線」に移された場合)。しかし、ほとんどの場合、環境の主要なリソースがすでに使い果たされていたため、成功した突然変異は遅すぎました。したがって、そのような「超植民地」は植民地化の最前線から切り離され、孤立して開発され、コミュニティ全体の開発に影響を及ぼさず、したがって進化の行き止まりの枝に変わった。

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