Данный материал является переводом оригинальной статьи, размещённой на сайте The Conversation.
Бактерии мутируют случайным образом или всё же они мутируют с определённой целью? Исследователи ломают голову над этой загадкой уже более столетия.
В 1943 году микробиолог Сальвадор Лурия (Salvador Luria) и ставший биологом физик Макс Дельбрюк (Max Delbrück), провели эксперимент, чтобы доказать, что бактерии мутируют бесцельно. Используя их тест, другие учёные показали, что бактерии могут приобретать устойчивость к антибиотикам, с которыми они раньше не сталкивались.
Эксперимент Лурия-Дельбрюка оказал значительное влияние на науку. Полученные результаты в итоге помогли Лурия и Дельбрюку получить в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине, а сегодня студенты изучают этот эксперимент на уроках биологии. Я же изучаю этот эксперимент в своей работе в качестве биостатистика уже более 20 лет.
Десятилетия спустя этот эксперимент преподносит уроки, которые остаются актуальными и сегодня, поскольку он подразумевает, что бактерии могут вырабатывать устойчивость к антибиотикам, которые ещё не были разработаны.
Игровые автоматы и момент озарения
Представьте себе пробирку, содержащую бактерии, живущие в питательном бульоне. Бульон из-за высокой концентрации бактерий в нём мутный. Добавление же вируса, поражающего бактерии, также известного как фаг, в пробирку убивает большую часть бактерий и делает бульон прозрачным.
Однако хранение пробирки в условиях, благоприятных для роста бактерий, со временем снова сделает бульон мутным. Это указывает на то, что бактерии выработали устойчивость к фагам и смогли научиться снова размножаться.
Какую роль в этом изменении сыграли фаги?
Некоторые учёные считали, что фаги побуждают бактерии мутировать ради выживания. Другие предположили, что бактерии обычно мутируют случайным образом, а развитие устойчивых к фагам вариантов было просто удачным результатом. Лурия и Дельбрюк несколько месяцев работали вместе, чтобы решить эту загадку, но ни один из их экспериментов не увенчался успехом.
Ночью 16 января 1943 года Лурия получил подсказку о том, как разгадать данную тайну, наблюдая за тем, как его коллега сорвал джекпот во время игры на игровом автомате. На следующее утро он поспешил в свою лабораторию.
Эксперимент Лурия состоял из нескольких пробирок и чашек. Каждая пробирка содержала питательный бульон, который помогал бактериям E. coli размножаться, а каждая чашка содержала материал, покрытый фагами. В каждую пробирку поместили несколько бактерий и дали две возможности создать устойчивые к фагам варианты. Они могли либо мутировать в пробирках в отсутствие фагов, либо мутировать в чашках в присутствии фагов.
На следующий день Лурия перенёс бактерии из каждой пробирки в чашку, наполненную фагами. А ещё через день он подсчитал количество устойчивых бактериальных колоний в каждой чашке.
Если бактерии развивают устойчивость к фагам в результате взаимодействия с ними, ни одна из бактерий в пробирках не должна иметь мутаций. С другой стороны, лишь немногие бактерии — скажем, 1 из 10 миллионов бактерий — должны порождать устойчивые варианты, когда их переносят в чашку, содержащую фаги. Каждый устойчивый к фагу вариант вырастет в колонию, но оставшиеся бактерии погибнут от инфекции.
Если бактерии разовьют устойчивость независимо от взаимодействия с фагами, у некоторых бактерий в пробирках возникнут мутации. Это связано с тем, что каждый раз, когда бактерия делится в пробирке, у неё есть небольшая вероятность породить устойчивый вариант. Если исходное поколение бактерий мутирует первым, по крайней мере половина бактерий будет устойчива в последующих поколениях. Если бактерия второго поколения мутирует первой, по крайней мере восьмая часть бактерий будет устойчива в последующих поколениях.
Подобно выигрышу небольших призов в игровых автоматах, мутации поздних поколений происходят чаще, но порождают меньше устойчивых вариантов. Подобно джекпотам, мутации ранних поколений происходят редко, но порождают большое количество вариантов. Мутации ранних поколений редки, потому что на ранних стадиях имеется лишь небольшое количество бактерий, доступных для мутации.
Например, в эксперименте на 20 поколений мутация, происходящая на 10-м поколении бактерий, приведёт к образованию 1 024 фагорезистентных вариантов. Мутация, происходящая на 17-м поколении, приведёт только к четырём фагорезистентным вариантам.
Число устойчивых колоний в экспериментах Лурия показало аналогичную закономерность с количеством выигрышей в игровых автоматах. Большая часть лабораторной посуды не содержала или содержала небольшое количество колоний мутантов, но некоторые ёмкости содержали большое количество колоний мутантов, которые Лурия считал джекпотами. Это означало, что бактерии выработали устойчивые варианты ещё до того, как они вступили во взаимодействие с фагами в посуде.
Наследие эксперимента
После завершения эксперимента Лурия отправил Дельбрюку записку с просьбой проверить его работу. Затем два учёных поработали вместе над написанием классической статьи, описывающей экспериментальный протокол и теоретическую основу для измерения скорости бактериальных мутаций.
Позже другие учёные смогли провести аналогичные эксперименты, в ходе которых они заменяли фаги пенициллином и противотуберкулезными препаратами. Аналогичным образом они обнаружили, что бактериям не нужно сталкиваться с антибиотиком, чтобы приобрести к нему устойчивость.
На протяжении миллионов лет бактерии полагались на случайные мутации, чтобы справиться с суровыми, постоянно меняющимися условиями. Их непрекращающиеся случайные мутации неизбежно приводят к развитию вариантов, устойчивых к антибиотикам будущего.
Устойчивость к лекарствам — это реальность жизни, с которой нам придётся смириться и продолжать бороться.
