驚人的進化：超級細菌誕生記

知識 09-13

不可思議的延時拍攝揭示出細菌是如何成長為「超級細菌」的，它們最終殺死抗生素後存活下來。

為了捕捉到這些非凡的瞬間，研究人員們建造了一個巨大的培養皿，記錄了大腸桿菌曝露在各種劑量藥物中的過程。

這項突破性的觀察，闡明了細菌逐步適應劑量不斷增加的抗生素的進化過程。

驚人的進化：超級細菌誕生記

這些連續鏡頭闡明了細菌逐步適應劑量不斷增加的抗生素的進化過程。如上圖所示，細菌快速進化出對濃度極高的藥物的抗性。

哈佛大學醫學院和以色列理工大學的科學家建造了一個2×4英尺的培養皿，用於觀察研究大腸桿菌在兩個星期中的適應過程。關於這項發現的論文已發表在近日《Science》上。

該研究團隊將這個大型培養皿分為不同的區域，每個區域的藥物劑量不同，這個設備的名字是「微生物進化和生長角斗場（MEGA）」，其靈感來源於2011年的電影《傳染病》。

培養皿的最外層沒有藥物，而旁邊的一層則含有足夠殺死細菌的抗生素。再往裡一層劑量增加10倍，中心處的抗生素劑量是劑量最低區域的1000倍。

然後，科學家們在天花板上放置了照相機，在兩周時間內周期性地對細菌的進化過程進行拍攝。

驚人的進化：超級細菌誕生記

該研究團隊將這個大型培養皿分為不同的區域，每個區域的藥物劑量不同，這個設備的名字是「微生物進化和生長角斗場（MEGA）」，其靈感來源於2011年的電影《傳染病》。相鄰的區域劑量增加10倍，如上圖所示。

這種方法使得他們可以觀察到物理空間與導致適應性的進化挑戰之間的關係。

哈佛大學醫學院的研究人員Michael Baym說：「關於細菌用於避免抗生素的內部防禦機制我們了解得很多，但是我們並不真正地了解它們在不同環境中為了生存而適應的物理活動。」

通過使用這種方式檢測細菌，研究人員關於細菌應對劑量增加的抗生素的行為提出了很多重要的見解。

標準假設認為，在最高劑量中可以存活的突變體最具抗性，但是這項觀察這種假設提出了質疑。

Roy Kishony同時作為以色列理工學院和哈佛大學的高級研究人員，他說：「我們的MEGA培養盤採用了複雜且晦澀的進化學概念，比如誘變選育、世系、平行進化、無性干涉，並提供了『眼見為實』的可視化展示，而不僅僅是晦澀的概念。它還能夠清晰地展示出細菌對抗生素變得有抗性是多麼的容易。」

在他們的多項觀察中，研究人員發現細菌的擴散會一直到達劑量上限，這種濃度下的抗生素中的細菌則無法生長。

有一小群細菌可以在任何級別的抗生素中適應和生存，抗性隨著連續的基因變化產生。

驚人的進化：超級細菌誕生記

科學家們在天花板上放置了照相機，在兩周時間內周期性地對細菌的進化過程進行拍攝。

驚人的進化：超級細菌誕生記

戰勝了其他菌株的細菌持續向更高劑量藥物的區域擴散，直到達到它們無法生存的上限。

驚人的進化：超級細菌誕生記

當耐葯突變體產生時時，它的後代會移動到濃度更高的區域，它的多個世系後代會在相同的區域內競爭。

戰勝了其他菌株的細菌持續向更高劑量藥物的區域擴散，直到達到它們無法生存的上限。

研究人員Tami Lieberman說：「這項展示太驚人，細菌進化得太快了。在這些鏡頭面前，進化生物學家家立刻意識到他們曾經在理論上思考過的概念，而非專業人士則立即開始問一些很好的問題。」

研究人員還發現，隨著進入到劑量更高的區域，突變體可以生成耐藥性更強的後代，耐藥性最強的細菌甚至可以抵擋最高濃度的藥物。

驚人的進化：超級細菌誕生記

僅僅10天內，突變菌株就可以在濃度為1000倍的最初可以殺死它們的抗生素中生存下來。

當他們使用環丙沙星進行實驗，細菌的抗性比最初增強了了10萬倍。

這些觀察表明，細菌在適應抗生素的過程中生長得更慢，一旦它們具備了足夠的耐藥性，它們的生長率就回歸正常。

並且，抗性最強的突變體通常比更弱的菌株移動的緩慢，它們在其他菌株遇到更高劑量的藥物之前一直藏在後面。

Baym說：「我們的觀察表明，進化並不總是由最具耐藥性的突變體引領，有時是第一個到達某個區域的菌株。最強的突變體通常躲在脆弱的菌株後面。第一個到達某個區域可能只是基於距離原因，而不是突變強度。」

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