Un incredibile esperimento mostra come i batteri si evolvono in superbatteri

Incredibili filmati in time-lapse rivelano il percorso dei batteri mentre crescono fino a diventare "superbatteri", che alla fine prosperano negli antibiotici destinati a ucciderli.

Per catturare queste straordinarie osservazioni, i ricercatori hanno costruito una gigantesca capsula di Petri e hanno registrato la progressione di E. coli esposto a varie dosi di farmaci.

Si ritiene che questa svolta sia il primo assaggio su larga scala di questi processi, che mostra l'evoluzione al lavoro mentre i batteri si adattano a dosi sempre più elevate di antibiotici.

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Il filmato mostra l'evoluzione al lavoro mentre i batteri si adattano a dosi sempre più elevate di antibiotici. Come visto sopra, i batteri hanno sviluppato rapidamente una resistenza a concentrazioni estremamente elevate del farmaco

IL PROBLEMA DEL SUPERBUG

I batteri resistenti agli antibiotici come Salmonella, E. Coli e Staphylococcus infettano circa 2 milioni di persone e uccidono almeno 23.000 persone negli Stati Uniti ogni anno.

Gli sforzi per contrastare questi cosiddetti "superbatteri" sono costantemente falliti a causa della capacità dei batteri di adattarsi rapidamente e sviluppare l'immunità ai comuni antibiotici come la penicillina. coli) nel corso di due settimane.

I loro risultati sono discussi in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Science.

Il team ha diviso il piatto gigante in sezioni di dosaggio variabile per creare un dispositivo chiamato piastra Microbial Evolution and Growth Arena (MEGA), ispirato al film del 2011 Contagion.

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Quelli sul bordo più esterno erano privi di qualsiasi farmaco, mentre il livello successivo conteneva abbastanza antibiotico per uccidere i batteri.

E, in ogni sezione successiva, la dose è aumentata di 10 volte, con una quantità di antibiotico 1.000 volte maggiore al centro rispetto alle aree con la dose più bassa.

Quindi, i ricercatori hanno fissato una telecamera al soffitto e hanno fotografato periodicamente la progressione durante il periodo di due settimane.

Il team ha diviso il piatto gigante in sezioni di dosaggio variabile per creare un dispositivo chiamato piastra Microbial Evolution and Growth Arena (MEGA), ispirato al film del 2011 Contagion. In ciascuna sezione successiva, la dose è aumentata di 10 volte, come illustrato sopra

Questo metodo ha permesso loro di osservare la relazione tra spazio fisico e sfide evolutive che portano all'adattamento.

"Conosciamo abbastanza i meccanismi di difesa interna che i batteri usano per eludere gli antibiotici, ma non sappiamo molto dei loro movimenti fisici nello spazio mentre si adattano per sopravvivere in ambienti diversi", ha detto Michael Baym, ricercatore in biologia dei sistemi presso HMS e autore principale dello studio.

Esaminando i batteri in questo modo, i ricercatori hanno notato numerose intuizioni chiave sul loro comportamento in risposta a dosi crescenti di antibiotici.

E le osservazioni sfidano le ipotesi standard secondo cui i mutanti che sopravvivono alle dosi più elevate sono i più resistenti.

COSA HANNO TROVATO

"È anche un potente esempio di quanto sia facile per i batteri diventare resistenti agli antibiotici."

Tra le loro numerose osservazioni, i ricercatori hanno scoperto che i batteri si diffondono fino a raggiungere un limite superiore di dosaggio, in cui la concentrazione dell'antibiotico diventa così alta da non poter crescere.

È stato scoperto che un piccolo gruppo di batteri si adattava e sopravviveva a ciascun livello e la resistenza si verificava attraverso i successivi cambiamenti genetici.

I ricercatori hanno attaccato una telecamera al soffitto e hanno periodicamente fotografato la progressione durante il periodo di due settimane

Quando si sono verificati mutanti resistenti ai farmaci, i discendenti si sono spostati in aree di maggiore concentrazione e più lignaggi dei mutanti hanno gareggiato per lo stesso spazio

Quelli che hanno superato gli altri ceppi hanno continuato a dosi più elevate fino a quando non hanno raggiunto un punto in cui non potevano sopravvivere

Quando si verificarono mutanti resistenti ai farmaci, i discendenti si spostarono in aree di maggiore concentrazione e più lignaggi dei mutanti gareggiarono per lo stesso spazio.

Quelli che hanno superato gli altri ceppi hanno continuato a dosi più elevate fino a quando non hanno raggiunto un punto in cui non potevano sopravvivere.

"Questa è una straordinaria dimostrazione della velocità con cui i microbi si evolvono", ha detto il co-investigatore Tami Lieberman.

"Quando viene mostrato il video, i biologi evoluzionisti riconoscono immediatamente i concetti a cui hanno pensato in astratto, mentre i non specialisti iniziano immediatamente a porre domande davvero valide."

I ricercatori hanno anche scoperto che i mutanti producevano successori di maggiore resistenza man mano che progredivano a dosi più elevate, con la versione più resistente in grado di combattere la dose più alta.

È stato scoperto che un piccolo gruppo di batteri si adattava e sopravviveva a ciascun livello e la resistenza si verificava attraverso i successivi cambiamenti genetici. E i mutanti più resistenti spesso si muovevano più lentamente rispetto ai ceppi più deboli, rimanendo indietro mentre altri incontravano per la prima volta le dosi più elevate

In soli 10 giorni, i ceppi mutanti sono stati in grado di sopravvivere a un antibiotico (trimetoprim) 1.000 volte superiore a quello che ha ucciso i loro predecessori.

E quando sono passati all'antibiotico ciprofloxacina, i batteri sono diventati resistenti 100.000 volte rispetto a quanto visto nella dose iniziale.

Le osservazioni suggeriscono che i batteri crescono più lentamente quando si adattano agli antibiotici; una volta che sono diventati completamente resistenti, il loro tasso di crescita è tornato alla normalità.

E i mutanti più resistenti spesso si muovevano più lentamente rispetto ai ceppi più deboli, rimanendo indietro mentre altri incontravano per la prima volta le dosi più elevate.

"Quello che abbiamo visto suggerisce che l'evoluzione non è sempre guidata dai mutanti più resistenti", ha detto Baym.

'A volte aiuta il primo ad arrivarci. I mutanti più forti, infatti, si muovono spesso dietro ceppi vulnerabili. Chi arriva per primo può essere basato sulla vicinanza piuttosto che sulla forza della mutazione. "