Đĩa Petri cỡ đại thể hiện sự phát triển của vi khuẩn theo không gian và thời gian

Khi vi khuẩn E. coli lan truyền trên bề mặt nồng độ kháng sinh tăng dần, các nhà nghiên cứu khám phá ra con đường tiến hóa mới có đặc tính kháng.

Có loại đĩa petri nhỏ, đĩa petri lớn, và có loại MEGA, một đĩa petri khổng lồ, chứa phiến thạch đen cỡ 2×4 ft. được tẩm thuốc kháng sinh với nồng độ tăng dần. Các nhà nghiên cứu xây dựng chiếc đĩa khổng lồ này để quan sát sự tiến hóa theo cả thời gian và không gian, và theo những gì họ báo cáo ngày 8 tháng 9 trên trang Sciene, đĩa MEGA đã tiết lộ rằng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh thích hợp nhất có thể không nhất thiết phải phát triển nhanh nhất.

Trên chiếc đĩa quá khổ, “bạn có thể thấy tiến hóa phân nhánh khi nó xảy ra. Đẹp một cách nổi bật, đáng kinh ngạc”, Luke McNally, Nhà Vi sinh học Tiến hóa tại Đại học Edinburgh nói.

Các nhà nghiên cứu trước đây thường nghiên cứu quá trình tiến hóa của vi khuẩn trong môi trường chất lỏng, ép vi khuẩn cạnh tranh lấy dinh dưỡng với toàn bộ quần thể có trong bình. Ngược lại, đĩa môi trường phát triển và tiến hóa vi sinh vật kiểu mới (MEGA) sẽ chia tách vi khuẩn theo không gian và thời gian, do đó giảm sự cạnh tranh, theo Michael Baym của Trường Y Khoa Harvard (HMS), đồng tác giả nghiên cứu. Viktoria Lázár, Tiến sĩ Nghiên cứu Sinh học Tiến hóa tại Trung tâm Nghiên cứu Sinh học của Hungary, một người không tham gia nghiên cứu, cho biết rằng thiết lập này cho thấy tầm quan trọng thường bị bỏ qua của không gian vật lý xung quanh vi khuẩn.

Ngoài ra, đĩa có thể giữ một quần thể vi khuẩn lớn hơn nhiều so với một thí nghiệm chất lỏng điển hình, tạo ra nhiều khả năng để thấy đột biến hiếm hơn, theo Roy Kishony, đồng tác giả nghiên cứu, dẫn đầu một nhóm nghiên cứu kháng kháng sinh tại HMS và Viện Công nghệ Technion-Israel. “Nó thực sự cho phép quan sát sự năng động của tiến hóa với đôi mắt của chính chúng ta”, ông nói thêm.

Kishony và đồng tác giả nghiên cứu Tami Lieberman, hiện nghiên cứu bậc sau tiến sĩ tại MIT, muốn tạo ra một màn trình diễn sống động của sự tiến hóa cho các sinh viên của mình. Cùng với Baym và các cộng sự, họ xây dựng phiến MEGA từ đầu. Họ lấp đầy chiếc đĩa acrylic khổng lồ bằng hai lớp thạch – một lớp nền vững chắc, tạo thành các sọc rời rạc tẩm trimethoprim hoặc ciprofloxacin với nồng độ tăng dần về phía trung tâm của đĩa, và một lớp bọc trên cùng là “thạch bơi” (agar swim) nhớt để cho phép vi khuẩn chuyển động. Lớp agar bên dưới được trộn với mực Ấn Độ để tạo sự tương phản với các vi khuẩn hạt trắng ở hai đầu không có kháng sinh miễn phí của đĩa.

Trong 10 ngày, các nhà nghiên cứu chụp ảnh E.coli 10 phút 1 lần khi vi khuẩn lan rộng trên đĩa, và thấy rằng vi khuẩn dừng lại một thời gian ngắn ở ranh giới của các mức nồng độ kháng sinh ngày càng đậm đặc, cho đến khi một đột biến xảy ra, tiến vào lãnh thổ có nồng độ thuốc cao hơn. Bằng cách thách thức vi khuẩn với các liều kháng sinh khác nhau trong 26 bước đầu tiên của các mức nồng độ tăng dần, nhóm nghiên cứu chứng minh rằng E.coli phát triển sức đề kháng cao hơn một cách nhanh chóng hơn nếu chúng lần đầu tiên gặp phải nồng độ kháng sinh mức vừa, thay vì mức cao.

Sử dụng quỹ đạo tiến hóa dễ thấy của vi khuẩn làm hướng dẫn, các nhà nghiên cứu phân lập và giải trình tự các đột biến tiên phong. Họ phát hiện ra đột biến thích nghi diễn ra trong gene cho enzyme đọc sửa DNA polymerase III, các gene mục tiêu của kháng sinh, và trong các gene không ngờ tới như những gene mã hóa vận chuyển phosphate và một kinase chưa rõ chức năng trong xây dựng tính đề kháng, gợi ý con đường thay thế có thể phát sinh.

Các nhà khoa học cũng tò mò khi thấy rằng: nằm sau những vi khuẩn ở vùng ranh giới đã kháng thuốc kháng sinh nhưng lại tăng trưởng chậm hơn, là nhiều vi khuẩn nhiễm đột biến mà sau này tiếp tục tăng cả tốc độ tăng trưởng và khả năng kháng kháng sinh. Trên thực tế, trong cuộc đua đối đầu với các vi khuẩn ban đầu bỏ xa chúng, thì những vi khuẩn phát triển chậm hơn này lại thành công hơn ở cuối thí nghiệm. Trước đây, người ta thường nghĩ rằng lấy lại tốc độ tăng trưởng có thể đồng nghĩa với bỏ đi khả năng đề kháng mới có được, nhưng những vi khuẩn đột biến này cho thấy nhận định đó chưa chính xác. “Cách vượt qua sự đánh đổi tiến hóa không phải là luôn quay trở lại những gì bạn đã có”, Baym nói. “Bạn có thể có được sự tăng trưởng trở lại bằng nhiều cách khác hơn là mất đi tính đề kháng”.

McNally cho biết ông rất vui mừng về tiềm năng của MEGA để nghiên cứu những khía cạnh mới của vấn đề bức xúc xã hội về kháng kháng sinh, chẳng hạn như sự tương tác giữa nhiều loại thuốc hoặc nhiều loài vi khuẩn. Tuy nhiên, Julian Davies, chuyên gia nghiên cứu kháng sinh tại Đại học British Columbia, không bị thuyết phục rằng trimethoprim, ciproflaxacin tổng hợp và một môi trường nhân tạo có liên quan đến cách tính đề kháng kháng sinh phát triển trong đất hoặc trong ruột con người. Ông nói, “Đó là một nghiên cứu hay,” nhưng “nó sẽ thực sự hữu ích nếu bạn có thể lặp lại điều này trong hệ thống dạ dày”.

Dù đĩa MEGA chưa thể tiết lộ về sự tiến hóa của vi khuẩn, Baym cho biết ông tin rằng nền tảng này sẽ thực hiện được mục đích ban đầu của nó, đó là một công cụ giáo dục. Đồng nghiệp của Lázár, bà Reka Spohn đồng ý rằng: “Đó là một cách thực sự tuyệt vời và dễ dàng để tất cả mọi người thấy được sự tiến hóa và để giúp các khái niệm trừu tượng như sự tiến hóa và đột biến cụ thể hơn”.

petri-cuc-dai-1

Theo www.the-scientist.com

Tham khảo thêm trang http://www.himedialabs.com

Zalo: 0983 088 626