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Science:“盘子”上的抗生素抵抗力演化

摘要 : 2016年9月9日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了哈佛大学医学院Roy Kishony研究员的一篇研究论文,研究报道了研究人员开发出了一种大型培养装置,旨在追踪细菌在有抗生素时进行突变的演化过程,结果意外揭示,最适宜生长的变异株并非那些最可能进入较高抗生素浓度的细菌株。

 2016年9月9日,国际顶尖学术期刊《Science》杂志上在线发表了哈佛大学医学院Roy Kishony研究员的一篇研究论文,研究报道了研究人员开发出了一种大型培养装置,旨在追踪细菌在有抗生素时进行突变的演化过程,结果意外揭示,最适宜生长的变异株并非那些最可能进入较高抗生素浓度的细菌株。相反,在培养皿上位于非常适应细菌“后面”的细菌却成为能在最高抗生素浓度中生存的细菌。这些结果对驱动细菌成功克服抗生素的演化模式和机制提供了重要线索,抗生素抵抗力这一现象威胁了全球人类的健康。为了更好地理解抗生素抵抗力出现的空间和时间,Michael Baym和同事研发了一种装置,它被称作微生物演化生长竞技盘(或MEGA盘),这是一种大型的矩形培养皿,在其上可用不同浓度的抗生素;研究人员在此所用的抗生素是甲氧苄氨嘧啶和环丙沙星。细菌是在该盘的某个部位进行培养的;随着对资源竞争的加剧,细菌会向其它地方扩散。通过使用不同的抗生素浓度,作者能搞清楚允许抵抗力越来越强的变异细菌的扩散。细菌无法从抗生素浓度为零直接适应于抗生素的最高浓度(就这两种被测试的抗生素而言),这表明,接触中间浓度的抗生素是细菌抵抗力演化所必需的。作者们发现,能增加抵抗力的突变常常是以生长减少为代价的,而它随后又被更多的代偿性突变所复原。有趣的是,细菌品种的空间位置在其成功发展抵抗力上也起了作用。例如,当研究人员将被困住的变异株(即那些位于其“适合”亲代之后的变异株)移到培养皿的“第一线”时,它们竟然能进入新的区域生长,而原先的第一线细菌则无法做到。鉴于这一发现,作者提出,细菌种群的适合度并非由最适合的变异株所驱动,而是由那些同时有足够的适合度而且又发源于和推进前沿距离足够近的那些菌群。正如Luke McNally和Sam Brown在相关《视角》中所解释的,在此研发的MEGA盘装置(它通过时空提供了“前所未见的细菌演化视图”)可被用来探索更多方面的药物抵抗力演化。

原文链接:

Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes

原文摘要:

A key aspect of bacterial survival is the ability to evolve while migrating across spatially varying environmental challenges. Laboratory experiments, however, often study evolution in well-mixed systems. Here, we introduce an experimental device, the microbial evolution and growth arena (MEGA)–plate, in which bacteria spread and evolved on a large antibiotic landscape (120 × 60 centimeters) that allowed visual observation of mutation and selection in a migrating bacterial front. While resistance increased consistently, multiple coexisting lineages diversified both phenotypically and genotypically. Analyzing mutants at and behind the propagating front, we found that evolution is not always led by the most resistant mutants; highly resistant mutants may be trapped behind more sensitive lineages. The MEGA-plate provides a versatile platform for studying microbial adaption and directly visualizing evolutionary dynamics.

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