محققان برای اولین بار موفق به ثبت فیلم تحول باکتری ها در ۱۰ روز شدند

پژوهشگران موفق شده‌اند تا از رشد باکتری ای کولی (E. Coli) درون یک ظرف کشت میکروب بزگ یک فیلم ثبت کنند. این ظرف همچنین با مجموعه‌ای از آنتی‌بیوتیک‌ها نیز پر شده بود. هدف از این کار، نشان دادن این موضوع بود که مقاوم شدن در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها برای باکتری‌ها بسیار آسان و ساده است.

 همانطور که شما می‌توانید در ویدیویی که در انتهای این گزارش ارایه شده ببینید، تنها در طول یک دوره‌ی ۱۰ روزه، گروه‌های باکتری ای کولی در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها قوی‌تر شدند و هر نسل از آنها نیز در برابر نسل جدید آنتی‌بیوتیک‌ها از خود مقاومت نشان می‌داد و در نهایت مشاهده شد که باکتری‌ها در برابر قوی‌ترین گروه آنتی‌بیوتیک‌ها نیز می‌توانند مقاوم شوند. یکی از پژوهشگران گروه تحقیق، رون کیشونی (Roy Kishony) از دانشگاه هاروارد در این باره معتقد است:

دیدن گسترش این باکتری‌ها برای اولین بار هیجان‌انگیز بود. همچنین این تصاویر نشان می‌دهد که برای یک باکتری واقعا بسیار ساده است که بتواند در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم شود.

 طبیعی است که این پژوهش فقط برای یک پروژه ویدئویی سرگرم‌کننده ساخته نشده است. دانشمندان دانشکده‌ی پزشکی هاروارد و موسسه تکنیون، در حال بررسی چگونگی انتقال و تکامل این باکتری هستند. یکی از اعضای گروه هاروارد، مایکل بایم (Michael Baym) می‌گوید:

ما در حال حاضر دانش نسبتا کمی در مورد مکانیسم‌های دفاعی داخلی که باکتری‌ها برای فرار از آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌کنند در اختیار داریم. اما واقعا در مورد حرکات فیزیکی آنها در فضای دانم در هنگام سازگار شدنشان برای بقا در محیط‌های گوناگون، چیزی نمی‌دانیم.

 صفحه‌ی پتری دیش (ظرف کشت میکروب) دارای ابعاد ۱۲۰ سانتی‌متر در ۶۰ سانتی متر بود و دانشمندان این ظرف را با ۱۴ لیتر آگار (مواد غذایی باکتریایی) پر کرده بودند. محققان از آن با عنوان «محفظه‌ی تکامل و رشد میکروبی» یا به صورت اختصاری با نام MEGA یاد می‌کنند. گفتنی است که MEGA در انگلیسی کوتاه‌شده‌ی عبارت (Microbial Evolution and Growth Arena) است.

 در انتهای هر MEGA، هیچ ماده‌ی آنتی‌بیوتیکی به مخلوط آگار اضافه نمی‌شود. اما با نزدیک‌تر شدن به سمت مرکزی ظرف، گروه پژوهشی به طور فزاینده‌ای غلظت‌هایی معین از آنتی‌بیوتیک‌ها (یا تری متوپریم و یا سیپروفلوکساسین) را به ظرف اضافه کرده بودند. در مرکز محفظه، غلظتی به میزان ۱۰۰۰ برابر از آنتی‌بیوتیک‌ها وجود دارد.

 همانطور که می‌توانید در این ویدئو مشاهده کنید، باکتری ئی. کولی در خط اول از آنتی‌بیوتیک‌ها، بدون مقاومت اولیه در برابر آنتی‌بیوتیک متوقف شده و نمی‌تواند حرکت بیشتری داشته باشد. اما وقتی که یکی از دسته‌های باکتریایی دچار جهش شده و یک ژن (یا شاید دسته‌ای از ژن‌ها) در آن دچار تکامل برای مقاوت در برابر آنتی‌بیوتیک می‌شوند، آنگاه به سمت یک منطقه با تمرکز کمتر از آنتی‌بیوتیک‌ها حرکت می‌کند.

 این روند ادامه پیدا می‌کند تا جایی که در نهایت به یک افزایش هزار برابری در میزان تمرکز در یک دوره‌ی صدروزه از آزمایش می‌رسد. دلیل این پدیده آن است که ای کولی و بسیاری دیگر از انوع باکتری‌ها تا چه اندازه می‌توانند به سرعت خود را با شرایط جدید تطبیق دهند. در شرایط ایده آل، ای کولی در هر ۲۰ دقیقه یک بار تقسیم می‌شود، به این معنی که در هر بازه ۲۰ دقیقه‌ای، جمعیت می‌تواند دو برابر شود.

 با چنین نرخ بالایی از تقسیم و نرخ جهش بالا و با در نظر گرفتن اینکه ای کولی همچنین می‌تواند ژن‌های مقاوم‌کننده را نیز با باکتری‌های جدید با استفاده از سیستمی به نام انتقال افقی ژن به اشتراک بگذارد، می‌توانیم درک بهتری از موضوع داشته باشیم.

 در حالی که بارزترین اثر این انتقال ژن، ظهور باکتری‌های مقاوم در برابر آنتی‌بیوتیک است؛ این فیلم همچنین نشان می‌دهد که چگونه وقوع جهش‌های غیرمفید هم می‌تواند باعث آسیب رساندن به نسل‌های بعدی شود. پژوهشگران در داده‌های به دست آمده به این نتیجه رسیدند:

ما با تجزیه و تحلیل جهش‌های رخ داده در مسیر تکثیر، به این نکته پی بردیم که تکامل همیشه هم منتهی به جهش برای رسیدن به مقاوم‌ترین حالت نمی‌شود.  جهش‌های منجر به مقاوت بالا ممکن است در برخی از نسل‌ها هم به دام افتاده و انجام نگیرند.

 اما صرف نظر از چند جهش نامطلوب برای برخی از گروه‌های باکتریایی، پیام واقعی این آزمایش برای دانشمندان این بود که موجودات میکروسکوپی تا چه حد می‌توانند در برابر عوامل از بین برنده‌ی خود مقاوم و سرسخت شوند. این سرسختی به حدی بوده است که در حال حاضر جامعه‌ی پزشکی و فعالان این عرصه را به طور جدی نگران کرده است.

 در بازه‌ی زمانی نسبتا کوتاهی که ما توسط باکتری‌های مضر تحت تاثیر قرار گرفته‌ایم، آنها تقریبا در برابر تمامی انواع آنتی‌بیوتیک‌هایی که ما در برابرشان به کار بسته‌ایم، از خود مقاومت نشان داده‌اند. از سویی نیز باید به تخمین مرکز کنترل و پیشگیری بیماری‌ها CDC اشاره کنیم که بر پایه‌ی آن، سالانه شمار ۲۳ هزار نفر انسان به خاطر عفونت‌های مقاوم در برابر آنتی‌بیوتیک جان خود را از دست می‌دهند که خود موضوع بسیار جدی و قابل توجهی است.

تامی لیبرمن (Tami Lieberman) پژوهشگری است که در هنگام انجام این پژوهش‌ها در دانشگاه هارواد در مقطع دکترا در حال تحصیل بوده و اکنون هم در MIT مشغول به کار است. وی در این باره گفته است:

این یک نمایش شگفت‌انگیز از چگونگی سرعت تکامل میکروب‌ها است. با نمایش این ویدئو، زیست‌شناسان تکاملی به سرعت می‌توانند مفاهیمی را که به صورت انتزاعی در ذهن داشتند، تشخیص دهند. از سویی در ذهن افراد غیر متخصص هم پرسش‌های خوبی به سرعت شکل خواهد گرفت.

 دستاوردهای این پژوهش در مجله‌ی Science منتشر شده است.