Устойчивость к антибиотикам, когда бактерии, вызывающие инфекцию, эволюционируют таким образом, что на них больше не действуют обычные антибиотики, является глобальной проблемой. Новое исследование Токийского университета выявило эволюцию и процесс естественного отбора бактерий Escherichia coli (кишечная палочка) в лаборатории.

Эти карты, называемые фитнес-ландшафтами, помогают нам лучше понять поэтапное развитие и характеристики устойчивости E. coli к восьми различным лекарственным средствам, включая антибиотики. Исследователи надеются, что их результаты и методы будут полезны для прогнозирования и борьбы с кишечной палочкой и другими бактериями в будущем.

Вы когда-нибудь чувствовали тошноту после того, как съели недоваренный бургер? Или когда остатки вчерашнего ужина слишком долго оставались вне холодильника? Существует много различных видов пищевых отравлений, но одной из распространенных причин является рост таких бактерий, как кишечная палочка.

Большинство случаев кишечной палочки, хотя и неприятных, можно лечить дома с помощью отдыха и регидратации. Однако в некоторых случаях это может привести к опасным для жизни инфекциям. Если у вас бактериальная инфекция, лечение антибиотиками может быть мощным и эффективным.

Но устойчивость к антибиотикам, способность бактерий становиться достаточно сильными, чтобы не реагировать на лекарства, является серьезной глобальной проблемой. Если антибиотики перестанут быть эффективными, то мы снова подвергнемся риску серьезных заболеваний из-за небольших травм и обычных недугов.

"Разработка методов, которые могли бы предсказывать и контролировать эволюцию бактерий, имеет решающее значение для поиска и подавления появления устойчивых бактерий", - сказал исследователь Дзюнъитиро Ивасава, докторант Высшей школы наук на момент проведения исследования. "Таким образом, мы разработали новый метод прогнозирования эволюции лекарственной устойчивости, используя данные, полученные в ходе лабораторных экспериментов по эволюции E. coli".

Исследователи использовали метод, называемый адаптивной лабораторной эволюцией, или ALE, чтобы "воспроизвести запись" эволюции лекарственно-устойчивой кишечной палочки к восьми различным препаратам, включая антибиотики. Этот метод позволил исследователям изучить эволюцию бактериальных штаммов с определенными наблюдаемыми характеристиками (называемыми фенотипами) в лабораторных условиях. Это помогло им получить представление о том, какие изменения могут произойти с бактериями в ходе долгосрочного процесса естественного отбора.

"В то время как обычные лабораторные эксперименты по эволюции были трудоемкими, мы смягчили эту проблему, используя автоматизированную систему культивирования, которая была ранее разработана в нашей лаборатории. Это позволило нам получить достаточные данные о фенотипических изменениях, связанных с эволюцией лекарственной устойчивости", - пояснил Ивасава. "Анализируя полученные данные, используя анализ основных компонентов (метод машинного обучения), мы смогли прояснить ландшафт пригодности, который лежит в основе эволюции лекарственной устойчивости E. coli".

Фитнес-ландшафты выглядят как 3D-топографические карты. Горы и долины на карте представляют эволюцию организма. Организмы на вершинах эволюционировали, чтобы иметь лучшую "приспособленность", или способность выживать в окружающей среде.

Ивасава объяснил: "Координаты ландшафта пригодности представляют внутренние состояния организма, такие как паттерны мутаций генов (генотипы) или профили лекарственной устойчивости (фенотипы) и т.д. Таким образом, фитнес-ландшафт описывает взаимосвязь между внутренними состояниями организма и соответствующими уровнями его физической подготовки. Благодаря разъяснению ландшафта фитнеса ожидается, что ход эволюции будет предсказуемым".

Статья опубликована в журнале PLoS Biology.

Команда считает, что ландшафты пригодности, которые она нанесла на карту в этом исследовании, и методы, разработанные в процессе, будут полезны для прогнозирования и контроля не только кишечной палочки, но и других форм микробной эволюции. Исследователи надеются, что это приведет к будущим исследованиям, которые смогут найти способы подавления устойчивых к лекарствам бактерий и внести свой вклад в развитие полезных микробов для биоинженерии и сельского хозяйства.

Ивасава пришел к выводу, что "следующий важный шаг - действительно попробовать использовать ландшафты фитнеса для контроля эволюции лекарственной устойчивости и посмотреть, насколько далеко мы можем ее контролировать. Это можно сделать, разработав лабораторные эволюционные эксперименты на основе информации, полученной от ландшафтов. Мы не можем дождаться, чтобы увидеть предстоящие результаты".