Исследование проливает новый свет на устойчивость к антибиотикам и ландшафты приспособленности

Бактерии E. coli могут быть гораздо более способны к развитию устойчивости к антибиотикам, чем считалось ранее. К такому выводу пришло новое исследование, опубликованное в журнале Science 24 ноября.

Под руководством внешнего профессора Института Санта-Фе (SFI) Андреаса Вагнера исследователи экспериментально картировали более 260 000 возможных мутаций белка E. coli, который необходим для выживания бактерий при воздействии антибиотика триметоприма.

В ходе тысяч высокореалистичных цифровых симуляций учёные обнаружили, что 75% всех возможных эволюционных путей этого белка в конечном итоге наделяют бактерии таким высоким уровнем устойчивости, что клиницист перестал бы назначать триметоприм пациенту.

"По сути, это исследование предполагает, что такие бактерии, как E. coli, могут быть более искусны в развитии устойчивости к антибиотикам, чем мы изначально думали", — говорит эволюционный биолог Андреас Вагнер.

Сомнения в теории "ландшафтов приспособленности"

Работа также ставит под сомнение давнюю теорию о ландшафтах приспособленности — генетических картах, показывающих, насколько хорошо организм адаптируется к среде.

Согласно преобладающей теории, на сильно изрезанных ландшафтах (с множеством "пиков" приспособленности) большинство эволюционирующих популяций застревает на низких пиках и никогда не достигает вершины адаптации.

Проверить эту теорию было крайне сложно из-за отсутствия экспериментальных данных по достаточно большим ландшафтам.

Эксперимент с белком DHFR

Чтобы решить эту задачу, Вагнер и коллеги с помощью технологии CRISPR создали один из самых комбинаторно полных ландшафтов приспособленности на сегодня для белка E. coli дигидрофолатредуктазы (DHFR).

Результат оказался неожиданным:

• Ландшафт имел много пиков, но большинство из них были низкими.
• Однако даже в таком изрезанном ландшафте около 75% смоделированных популяций достигли высоких пиков приспособленности, которые обеспечивают E. coli высокую устойчивость к антибиотикам.

Значение для реального мира

Реальные последствия значительны. Если подобные изрезанные ландшафты распространены в биологических системах, это может означать, что многие адаптивные процессы (например, развитие устойчивости к антибиотикам) более доступны, чем считалось ранее.

Это может привести к пересмотру теоретических моделей в различных областях.

"Это заставляет нас пересмотреть наше понимание эволюции ландшафтов в различных областях, — говорит Вагнер. — Нам нужно перейти от абстрактных теоретических моделей к реалистичным, основанным на данных".