Чувствительность биопленок к противомикробным препаратам через экспериментальную эволюционную линзу

Oct 13, 2023

npj Биопленки и микробиомы, том 8, Номер статьи: 82 (2022) Цитировать эту статью

3696 Доступов

5 цитат

12 Альтметрика

Подробности о метриках

Экспериментальные эксперименты по эволюции, в которых бактериальные популяции неоднократно подвергаются антимикробной обработке, а также изучение генотипа и фенотипа возникших в результате эволюции бактерий, могут помочь пролить свет на механизмы снижения восприимчивости. В этом обзоре мы представляем обзор того, почему важно включать биопленки в экспериментальную эволюцию, какие подходы доступны для изучения экспериментальной эволюции биопленок и что экспериментальная эволюция научила нас о толерантности и устойчивости биопленок. Наконец, мы представляем формирующееся консенсусное мнение о чувствительности биопленок к противомикробным препаратам, подтвержденное данными, полученными в ходе экспериментальных исследований эволюции.

Экспериментальная эволюция (Вставка 1) – это исследование эволюционных процессов, происходящих в популяциях в ответ на условия, налагаемые и контролируемые экспериментатором1. Хотя первые экспериментальные исследования эволюции микробов датируются 1880-ми годами2, экспериментальная эволюция была введена в бактериологию в 1950-х годах Фрэнсисом Дж. Райаном3 и стала широко известна благодаря эксперименту по долгосрочной эволюции (LTEE), начатому Ричардом Ленски. в 1980-х годах и существует уже более 75 000 поколений4,5. LTEE и многие другие экспериментальные эксперименты по эволюции проводятся в неструктурированной среде, т. е. в жидкой культуре при встряхивании, при этом большинство бактерий находится в планктонном состоянии. Однако уже в ранних экспериментах по эволюции в структурированной среде наблюдались заметные различия с точки зрения эволюции приспособленности (Вставка 1) и внутрипопуляционной изменчивости по сравнению с тем, что обычно наблюдается в планктонных культурах6,7.

Биопленки представляют собой структурированные микробные сообщества, которые либо прикреплены к поверхности, либо представляют собой взвешенные или встроенные агрегаты8. В биопленках присутствуют различные градиенты (кислород, питательные вещества, противомикробные агенты и т. д.), что приводит к развитию пространственно структурированных ниш с различными условиями окружающей среды9, и эта микросреда совместно определяет исход инфекций, связанных с биопленками, поскольку они напрямую влияют на рост бактерий. и метаболизм, а также на эффект противомикробного лечения10,11,12,13.

Недавно были рассмотрены экспериментальная эволюция в целом14 и конкретные аспекты экспериментальной эволюции биопленок15; мы отсылаем читателей к этим обзорам для получения более подробной информации. Краткое изложение того, почему популяции биопленок становятся более разнообразными в ходе эволюции, представлено ниже.

Из-за своей гетерогенности биопленки содержат множество экологических ниш, не все из которых используются существующими генотипами; эти неиспользованные ниши открывают возможности для новых генотипов16. Более того, новые генотипы могут создавать дополнительные ниши, изменяя окружающую среду («построение ниш»)7,17. Из-за пространственной неоднородности популяции биопленок можно рассматривать как совокупности независимо развивающихся субпопуляций, и эта фрагментация популяции снижает эффективный размер популяции. Поскольку относительный вклад генетического дрейфа (Вставка 1) в разнообразие выше в небольших субпопуляциях, пространственная неоднородность в конечном итоге приводит к большему разнообразию16,18. Фрагментация популяций также позволяет фиксировать (вставка 1) полезные мутации с относительно небольшим эффектом в определенных субпопуляциях. Действительно, полезные мутации с большим эффектом встречаются реже, чем полезные мутации с небольшим эффектом, и первые вряд ли появятся во всех субпопуляциях; как следствие, ожидается, что различные полезные мутации с небольшим эффектом будут возникать и поддерживаться в различных пространственно разделенных субпопуляциях, что приведет к большему разнообразию внутри популяции в целом19. Недавние экспериментальные работы и моделирование показали, что в пространственно структурированной среде распространение полезных мутаций усиливается и вероятность потери полезных мутаций снижается20. Причина этого в том, что в структурированной среде отбор может увеличить частоту полезной мутации в определенной субпопуляции быстрее, чем миграция этой мутации в другие субпопуляции; как следствие, мутант, несущий эту полезную мутацию, вероятно, сможет неоднократно мигрировать в новые субпопуляции, что в конечном итоге снижает вероятность утраты этой мутации из-за генетического дрейфа20. Конкуренция между мутантами, несущими различные полезные мутации (клональная интерференция, вставка 1), увеличивает время фиксации (т. е. пройдет больше времени, прежде чем конкретная мутация вытеснит все остальные), а клональная интерференция чаще встречается в пространственно структурированных средах (поскольку полезные мутации демонстрируют медленное , «волновым» распространением среди населения)21. Как следствие, в биопленках могут одновременно возникать множественные полезные мутации, что опять-таки приводит к более высокому разнообразию22,23. Недавнее наблюдение о том, что эволюция Pseudomonas aeruginosa in vitro в условиях, наиболее сходных с теми, которые наблюдаются в легких пациентов с муковисцидозом (МВ) (т. е. в синтетической среде МВ [SCFM]), приводит к снижению параллелизма (т. е. большему разнообразию). ), чем эволюция в минимальной среде, подтверждает важность присутствия пространственно разделенных субпопуляций для создания разнообразия24,25. В отличие от минимальной среды, SCFM содержит муцин, который позволяет создавать пространственно структурированные субпопуляции с меньшими эффективными размерами популяций, что снижает вероятность обнаружения тех же полезных мутаций в повторных популяциях25.