绘制大肠杆菌图谱以克服抗生素耐药性

当引起感染的细菌进化到不再受典型抗生素影响时，抗生素耐药性已成为全球关注的问题。东京大学的一项新研究描绘了实验室中大肠杆菌( E. coli ) 细菌的进化和自然选择过程。这些地图称为适应性景观，可帮助我们更好地了解大肠杆菌对八种不同药物(包括抗生素)的耐药性的逐步发展和特征。研究人员希望他们的结果和方法在未来对预测和控制大肠杆菌和其他细菌有用。

吃了未煮熟的汉堡后，您是否感到反胃?或者昨天晚餐的剩菜放在冰箱外的时间有点太长了?食物中毒有很多种，但一个常见的原因是大肠杆菌等细菌的生长。大多数大肠杆菌病例，虽然令人不快，但可以在家中通过休息和补液进行管理。但是，在某些情况下，它会导致危及生命的感染。如果您有细菌感染，抗生素药物可能是一种强大而有效的治疗方法。但是抗生素耐药性，即细菌变得足够强大以至于对药物没有反应的能力，是一个严重的全球问题。如果抗生素不再有效，那么我们将再次面临因小伤和小病患重病的风险。

“能够预测和控制细菌进化的方法的发展对于发现和抑制耐药细菌的出现至关重要，”研究人员 Junichiro Iwasawa 说，他当时是科学研究生院的博士生。“因此，我们开发了一种新方法，利用从大肠杆菌实验室进化实验中获得的数据来预测耐药性进化。”

研究人员使用一种称为适应性实验室进化 (ALE) 的方法来“重放”耐药大肠杆菌进化为八种不同药物(包括抗生素)的磁带。该方法使研究人员能够在实验室中研究具有特定可观察特征(称为表型)的细菌菌株的进化。这有助于他们深入了解细菌在自然选择的长期过程中可能发生的变化。

“虽然传统的实验室进化实验是劳动密集型的，但我们通过使用我们实验室之前开发的自动化培养系统来缓解这个问题。这使我们能够获得与耐药性进化相关的表型变化的足够数据，”Iwasawa 解释说。“通过分析获得的数据，使用主成分分析(一种机器学习方法)，我们已经能够阐明构成大肠杆菌耐药性进化基础的适应性景观。 ”

健身景观看起来像 3D 地形图。地图上的山脉和山谷代表了生物体的进化。处于顶峰的生物体已经进化到具有更好的“适应性”或在其环境中生存的能力。Iwasawa解释说，“适应度景观的坐标代表了生物体的内部状态，例如基因突变模式(基因型)或耐药谱(表型)等。因此，适应度景观描述了生物体内部状态之间的关系及其相应的适应度水平。通过阐明适应性景观，进化的进程有望得到预测。”

该团队认为，它在本研究中绘制的适应性景观以及在此过程中开发的方法不仅可用于预测和控制大肠杆菌，而且可用于预测和控制其他形式的微生物进化。研究人员希望这将导致未来的研究能够找到抑制耐药细菌的方法，并有助于开发对生物工程和农业有用的微生物。Iwasawa 总结说：“下一个重要步骤是实际尝试使用适应性景观来控制耐药性进化，看看我们能控制它到什么程度。这可以通过根据景观信息设计实验室进化实验来完成。我们迫不及待地想看到即将到来的结果。”