Дали бактериите мутират произволно или мутират с определена цел? Изследователите озадачават тази главоблъсканица повече от век.
През 1943 г. микробиологът Салвадор Лурия и физикът, превърнал се в биолог Макс Делбрюк, изобретяват експеримент, за да твърдят, че бактериите мутирали безцелно. Използвайки своя тест, други учени показаха, че бактериите могат да придобият резистентност към антибиотици, които не са срещали преди.
Експериментът Лурия-Делбрюк има значително въздействие върху науката. Констатациите помогнаха на Лурия и Делбрюк да спечелят Нобеловата награда за физиология или медицина през 1969 г., а днес учениците учат този експеримент в класните стаи по биология. Проучвам този експеримент в работата си като биостатистик повече от 20 години.
Десетилетия по-късно този експеримент предлага уроци, които са все още актуални днес, защото предполага, че бактериите могат да развият резистентност към антибиотици, които все още не са разработени.
Слот машини и еврика момент
Представете си епруветка, съдържаща бактерии, живеещи в хранителен бульон. Бульонът е мътен поради високата концентрация на бактерии в него. Добавянето на вирус, който заразява бактериите, известен също като фаг, в епруветката убива повечето от бактериите и прави бульона бистър.
Въпреки това, поддържането на епруветката при условия, благоприятни за бактериален растеж, ще направи бульона отново мътен с течение на времето. Това показва, че бактериите са развили резистентност срещу фагите и са успели да се размножават.
Каква роля играят фагите в тази промяна?
Някои учени смятат, че фагите подтикват бактериите да мутират за оцеляване. Други предполагат, че бактериите рутинно мутират на случаен принцип и развитието на устойчиви на фаги варианти е просто щастлив изход. Лурия и Делбрюк са работили заедно от месеци, за да разрешат тази главоблъсканица, но нито един от техните експерименти не е бил успешен.
В нощта на 16 януари 1943 г. Лурия получава намек как да разгадае мистерията, докато гледа как колега печели джакпота на ротативка. На следващата сутрин той забърза към лабораторията си.
Експериментът на Лурия се състоеше от няколко епруветки и чинии. Всяка епруветка съдържа хранителен бульон, който ще помогне на бактериите E. coli се размножават, докато всяка чиния съдържа материал, покрит с фаги. Няколко бактерии бяха поставени във всяка епруветка и им бяха дадени две възможности за генериране на устойчиви на фаги варианти. Те биха могли или да мутират в епруветките в отсъствието на фаги, или биха могли да мутират в съдовете в присъствието на фаги.
На следващия ден Лурия прехвърли бактериите във всяка епруветка в чиния, пълна с фаги. Ден след това той преброи броя на резистентните бактериални колонии във всяка чиния.
Ако бактериите развият резистентност срещу фагите чрез взаимодействие с тях, никоя от бактериите в епруветките не трябва да има мутации. От друга страна, само няколко от бактериите – да речем, 1 от 10 милиона бактерии – трябва да породят устойчиви варианти, когато бъдат прехвърлени в чиния, съдържаща фаги. Всеки устойчив на фаги вариант ще прерасне в колония, но останалите бактерии ще умрат от инфекция.
Ако бактериите развият резистентност независимо от взаимодействието с фагите, някои от бактериите в епруветките ще имат мутации. Това е така, защото всеки път, когато една бактерия се дели в епруветка, има малка вероятност да породи резистентен вариант. Ако началното поколение бактерии е първото, което мутира, поне половината от бактериите ще бъдат резистентни в следващите поколения. Ако една бактерия от второто поколение е първата, която мутира, най-малко една осма от бактериите ще бъдат резистентни в следващите поколения.
Подобно на тегленето на малки награди в слот машини, мутациите от късното поколение се появяват по-често, но дават по-малко устойчиви варианти. Подобно на джакпотите, мутациите от ранно поколение се случват рядко, но дават голям брой варианти. Мутациите от ранно поколение са редки, тъй като в началото има само малък брой бактерии, които могат да мутират.
Например, в експеримент от 20 поколения, мутация, възникваща в 10-то поколение бактерии, би дала 1024 фагоустойчиви варианта. Мутация, възникваща в 17-то поколение, би дала само четири фагорезистентни варианта.
Броят на резистентните колонии в експериментите на Лурия показва модел, подобен на този при тегленето на пари от слот машини. Повечето блюда не съдържаха или съдържаха малък брой мутантни колонии, но няколко съдържаха голям брой мутантни колонии, които Лурия смяташе за джакпоти. Това означава, че бактериите са развили резистентни варианти, преди да взаимодействат с фагите в съдовете.
Наследство от експеримент
Лурия изпрати бележка до Делбрюк, след като експериментът му приключи, като го помоли да провери работата си. След това двамата учени работиха заедно, за да напишат класическа статия, описваща експерименталния протокол и теоретична рамка за измерване на нивата на бактериална мутация.
Други учени проведоха подобни експерименти, като замениха фагите с пеницилин и с лекарства за туберкулоза. По същия начин те откриха, че бактериите не трябва да се сблъскват с антибиотик, за да придобият резистентност към него.
Бактериите са разчитали на случайни мутации, за да се справят със суровата, постоянно променяща се среда в продължение на милиони години. Техните непрестанни, случайни мутации ще ги накарат неизбежно да развият варианти, които са резистентни към антибиотиците на бъдещето.
Резистентността към лекарства е реалност на живота, която ще трябва да приемем и да продължим да се борим срещу нея.
Тази редактирана статия е препубликувана от Разговорът под лиценз Creative Commons. Прочетете оригинална статия.