April 21, 2024

Τα βακτήρια μπορούν να αναπτύξουν ανθεκτικότητα σε φάρμακα που δεν έχουν συναντήσει ποτέ πριν: οι επιστήμονες το ανακάλυψαν πριν από δεκαετίες σε ένα κλασικό πείραμα.

Τα βακτήρια μεταλλάσσονται τυχαία ή μεταλλάσσονται με κάποιο σκοπό; Οι ερευνητές σκέφτονται αυτό το αίνιγμα για περισσότερο από έναν αιώνα.

Το 1943 ο μικροβιολόγος Σαλβαδόρ Λούρια και ο φυσικός που έγινε βιολόγος Max Delbrück εφηύρε ένα πείραμα για να υποστηρίξει ότι τα βακτήρια μεταλλάσσονταν άσκοπα. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή τους, άλλοι επιστήμονες έδειξαν ότι τα βακτήρια μπορούσαν να αποκτήσουν ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά που δεν είχαν συναντήσει πριν.

Το πείραμα Luria-Delbrück είχε σημαντική επίδραση στην επιστήμη. Τα ευρήματα βοήθησαν τη Luria και τον Delbruck να κερδίσουν το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 1969, και σήμερα οι μαθητές μαθαίνουν για αυτό το πείραμα στις τάξεις βιολογίας. Μελετώ αυτό το πείραμα για περισσότερα από 20 χρόνια στη δουλειά μου ως βιοστατιστικός.


Μπορείτε να ακούσετε περισσότερα άρθρα από το The Conversation, σε αφήγηση από τον Noa.


Δεκαετίες αργότερα, αυτό το πείραμα προσφέρει μαθήματα που εξακολουθούν να είναι επίκαιρα σήμερα, επειδή υπονοεί ότι τα βακτήρια μπορούν να αναπτύξουν αντοχή σε αντιβιοτικά που δεν έχουν ακόμη αναπτυχθεί.

Κουλοχέρηδες και μια στιγμή εύρηκα

Φανταστείτε έναν δοκιμαστικό σωλήνα που περιέχει βακτήρια που ζουν σε ένα ζωμό θρεπτικών συστατικών. Ο ζωμός είναι θολός λόγω της υψηλής συγκέντρωσης βακτηρίων που περιέχει. Η προσθήκη ενός ιού που μολύνει βακτήρια, γνωστό και ως φάγος, στο σωληνάριο σκοτώνει τα περισσότερα βακτήρια και καθαρίζει τον ζωμό.

Απεικόνιση της δομής του βακτηριοφάγου.Απεικόνιση της δομής του βακτηριοφάγου.

Ωστόσο, η διατήρηση του δοκιμαστικού σωλήνα σε συνθήκες ευνοϊκές για την ανάπτυξη βακτηρίων θα έχει ως αποτέλεσμα ο ζωμός να θολώσει με την πάροδο του χρόνου. Αυτό δείχνει ότι τα βακτήρια ανέπτυξαν αντίσταση στους φάγους και ήταν σε θέση να πολλαπλασιαστούν.

Τι ρόλο έπαιξαν οι φάγοι σε αυτή την αλλαγή;

Μερικοί επιστήμονες πίστευαν ότι οι φάγοι ενθάρρυναν τα βακτήρια να μεταλλαχθούν για να επιβιώσουν. Άλλοι πρότειναν ότι τα βακτήρια μεταλλάσσονται συνήθως τυχαία και ότι η ανάπτυξη παραλλαγών ανθεκτικών στους φάγους ήταν απλώς ένα τυχερό αποτέλεσμα. Η Luria και ο Delbrück δούλευαν μαζί για μήνες για να λύσουν αυτό το παζλ, αλλά κανένα από τα πειράματά τους δεν είχε επιτυχία.

Το βράδυ της 16ης Ιανουαρίου 1943, ο Luria έλαβε μια ιδέα για το πώς να λύσει το μυστήριο, ενώ παρακολουθούσε έναν συνάδελφο να κερδίζει το τζάκποτ σε έναν κουλοχέρη. Το επόμενο πρωί, έτρεξε στο εργαστήριό του.

Το πείραμα του Luria αποτελούνταν από μερικούς σωλήνες και πλάκες. Κάθε σωληνάριο περιείχε θρεπτικό ζωμό που θα βοηθούσε τα βακτήρια. E.coli πολλαπλασιάζονται, ενώ κάθε πλάκα περιείχε υλικό επικαλυμμένο με φάγους. Μερικά βακτήρια τοποθετήθηκαν σε κάθε σωλήνα και δόθηκαν δύο ευκαιρίες για τη δημιουργία παραλλαγών ανθεκτικών στους φάγους. Θα μπορούσαν να μεταλλαχθούν στους σωλήνες απουσία φάγων ή στις πλάκες παρουσία φάγων.

Απεικόνιση έξι δοκιμαστικών σωλήνων και έξι πιάτων Petri, μερικά από τα οποία περιέχουν κόκκινες κουκκίδες.Απεικόνιση έξι δοκιμαστικών σωλήνων και έξι πιάτων Petri, μερικά από τα οποία περιέχουν κόκκινες κουκκίδες.
Αυτό το διάγραμμα από το πείραμα Luria-Delbrück δείχνει αποικίες παραλλαγών φάγων ανθεκτικών σε E.coli (κόκκινο) που αναπτύσσεται στα πιάτα Petri. Qi Zheng, CC BY-SA

Την επόμενη μέρα, ο Luria μετέφερε τα βακτήρια από κάθε σωλήνα σε ένα πιάτο γεμάτο φάγους. Την επόμενη μέρα, μέτρησε τον αριθμό των αποικιών ανθεκτικών βακτηρίων σε κάθε πιάτο.

Εάν τα βακτήρια αναπτύξουν αντίσταση στους φάγους αλληλεπιδρώντας μαζί τους, κανένα από τα βακτήρια στους σωλήνες δεν θα πρέπει να έχει μεταλλάξεις. Από την άλλη πλευρά, μόνο λίγα βακτήρια (ας πούμε, 1 στα 10 εκατομμύρια βακτήρια) θα πρέπει να δημιουργήσουν ανθεκτικές παραλλαγές όταν μεταφερθούν σε μια πλάκα που περιέχει φάγους. Κάθε παραλλαγή ανθεκτική στους φάγους θα εξελισσόταν σε μια αποικία, αλλά τα υπόλοιπα βακτήρια θα πέθαιναν από τη μόλυνση.

Εάν τα βακτήρια αναπτύξουν αντίσταση ανεξάρτητα από την αλληλεπίδραση με τους φάγους, ορισμένα από τα βακτήρια στους σωλήνες θα έχουν μεταλλάξεις. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε φορά που ένα βακτήριο διαιρείται σε ένα σωλήνα, έχει μια μικρή πιθανότητα να δημιουργήσει μια ανθεκτική παραλλαγή. Εάν η αρχική γενιά βακτηρίων είναι η πρώτη που μεταλλάσσεται, τουλάχιστον τα μισά από τα βακτήρια θα είναι ανθεκτικά στις επόμενες γενιές. Εάν ένα βακτήριο από τη δεύτερη γενιά είναι το πρώτο που μεταλλάσσεται, τουλάχιστον το ένα όγδοο των βακτηρίων θα είναι ανθεκτικό στις επόμενες γενιές.

Τέσσερα διαγράμματα δέντρων με πράσινους και κόκκινους κύκλους, με τα επόμενα κλαδιά από κόκκινες κουκκίδες να γίνονται κόκκιναΤέσσερα διαγράμματα δέντρων με πράσινους και κόκκινους κύκλους, με τα επόμενα κλαδιά κόκκινων κουκκίδων να γίνονται κόκκινα

Όπως και οι αναλήψεις μικρών βραβείων σε κουλοχέρηδες, οι μεταλλάξεις επόμενης γενιάς συμβαίνουν πιο συχνά, αλλά έχουν ως αποτέλεσμα λιγότερες ανθεκτικές παραλλαγές. Όπως και τα τζάκποτ, οι μεταλλάξεις πρώιμης γενιάς συμβαίνουν σπάνια, αλλά προκαλούν μεγάλο αριθμό παραλλαγών. Οι μεταλλάξεις πρώιμης γενιάς είναι σπάνιες επειδή στην αρχή υπάρχει μόνο ένας μικρός αριθμός βακτηρίων που είναι διαθέσιμοι για μετάλλαξη.

Για παράδειγμα, σε ένα πείραμα 20 γενεών, μια μετάλλαξη που εμφανίζεται στη 10η γενιά βακτηρίων θα έδινε 1.024 παραλλαγές ανθεκτικές στους φάγους. Μια μετάλλαξη που εμφανίζεται στη γενιά 17 θα έδινε μόνο τέσσερις παραλλαγές ανθεκτικές στους φάγους.

Ο αριθμός των ανθεκτικών αποικιών στα πειράματα του Luria έδειξε ένα μοτίβο παρόμοιο με αυτό των αναλήψεων μετρητών από κουλοχέρηδες. Τα περισσότερα πιάτα περιείχαν λίγες ή καθόλου αποικίες μεταλλαγμένων, αλλά αρκετά περιείχαν μεγάλους αριθμούς μεταλλαγμένων αποικιών που η Luria θεωρούσε τζακ ποτ. Αυτό σήμαινε ότι τα βακτήρια ανέπτυξαν ανθεκτικές παραλλαγές πριν αλληλεπιδράσουν με τους φάγους στα πιάτα.

Η κληρονομιά ενός πειράματος

Ο Luria έστειλε ένα σημείωμα στον Delbrück αφού ολοκλήρωσε το πείραμά του, ζητώντας του να επαληθεύσει τη δουλειά του. Στη συνέχεια, οι δύο επιστήμονες συνεργάστηκαν για να γράψουν μια κλασική εργασία που περιγράφει το πειραματικό πρωτόκολλο και ένα θεωρητικό πλαίσιο για τη μέτρηση των ποσοστών βακτηριακής μετάλλαξης.

Άλλοι επιστήμονες πραγματοποίησαν παρόμοια πειράματα αντικαθιστώντας τους φάγους με πενικιλίνη και φάρμακα κατά της φυματίωσης. Ομοίως, ανακάλυψαν ότι τα βακτήρια δεν χρειαζόταν να συναντήσουν ένα αντιβιοτικό για να αποκτήσουν αντοχή σε αυτό.

Τα βακτήρια βασίζονται σε τυχαίες μεταλλάξεις για να αντιμετωπίσουν εχθρικά και συνεχώς μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα για εκατομμύρια χρόνια. Οι αδιάκοπες και τυχαίες μεταλλάξεις τους αναπόφευκτα θα τους οδηγήσουν στην ανάπτυξη παραλλαγών ανθεκτικών στα αντιβιοτικά του μέλλοντος.

Η αντίσταση στα ναρκωτικά είναι μια πραγματικότητα της ζωής που θα πρέπει να αποδεχτούμε και να συνεχίσουμε να αγωνιζόμαστε.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation, έναν ανεξάρτητο, μη κερδοσκοπικό οργανισμό ειδήσεων που σας παρέχει αξιόπιστα δεδομένα και αναλύσεις για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τον περίπλοκο κόσμο μας. Γράφτηκε από τον: Qi Zheng, Πανεπιστήμιο Texas A&M

Διαβάστε περισσότερα:

Ο Qi Zheng δεν εργάζεται, δεν συμβουλεύεται, δεν κατέχει μετοχές ή δεν λαμβάνει χρηματοδότηση από οποιαδήποτε εταιρεία ή οργανισμό που θα επωφεληθεί από αυτό το άρθρο και δεν έχει αποκαλύψει σχετικές σχέσεις πέρα ​​από τον ακαδημαϊκό του διορισμό.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *