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【有片有真相】細菌演化突變 12 日擊破抗生素防線

2016/9/10 — 20:29

編按:研究皆在了解細菌在「假設情境」的演化機制,並非指抗生素對細菌無效力。

演化速度遠比想像中快,哈佛大學和以色列理工大學研究人員就以大型培養皿,發現細菌能在短短 12 日內完全「突破」抗生素高速繁殖。

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細菌之所以生存至今,其中一個優勢就是它們可以變異來適應環境轉變。不過,科學家一直都未完全了解細菌「演化」機制。所以,醫學科學研究人員 Roy Kishony 和研究隊伍就採用新實驗方法——「放大版培養皿」,嘗試了解這種微生物演化歷程。

培養皿是實驗常用工具,以培植各種研究和測試用的微生物。培養皿一般會在消毒後加入瓊脂平板 (Agar Plate) ,瓊脂平板擁有足夠養份供給微生物,讓科學家將微生物柱入繁殖觀察它們生長,或者收集樣本研究。研究人員套用同一概念,製作出長 120 厘米,闊 60 厘米的長方型培養皿 ,並稱為 Microbial Evolution Growth Arena Plate (MEGA-Plate) 。

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圖一:長方型培養皿分作 9 個部份,由左右兩端的第 2 層開始加入抗生素,逐層增加,直至中間的 1000 倍濃度抗生素。 (圖:Kishony, et al.)

圖一:長方型培養皿分作 9 個部份,由左右兩端的第 2 層開始加入抗生素,逐層增加,直至中間的 1000 倍濃度抗生素。 (圖:Kishony, et al.)

他們將這塊長方型培養皿分為 9 個部份(如圖一):最外邊兩個部份就加入大腸桿菌,其餘 7 個區域就分別加入不同濃度的抗生素,濃度由外到內增加,最中心位置抗生素濃度為最初的 1,000 倍。

圖二:大腸桿菌(白色)由外到內高濃度繁殖。(圖:Kishony et al.)

圖二:大腸桿菌(白色)由外到內高濃度繁殖。(圖:Kishony et al.)

細菌被放進 MEGA-Plate 繁殖,但到第一層抗生素時就遇到阻力。可是,抗生素只阻止了一段短時間。Mega-Plate 上慢慢有一小群變異細菌突圍而出,然後相繼其他變異細菌群衝破防線。在其後數天,細菌逐步「突破」抗生素的防線——即使面對濃度達 1,000 倍的抗生素,細菌都可在 12 日內成功繁殖(圖二)。

要留意,雖然細菌發展速度驚人,但研究人員在報告中強調實驗並非模擬自然或者正常醫療環境。他們真正感興趣的是細菌演化策略:似乎並非每次都是抗藥性最強的變異細菌佔優勢,因它們反而有機會被「更敏感」的細菌包圍,惟科學家至今都未了解背後原因。將來或者科學家可利用 Mega-Plate 之類的實驗設計,更加了解細菌演化機制。 

報告:

Baym, M., Lieberman, T.D., Kelsic, E.D., Chait, R., Gross, R., Yelin, I. & Kishony, R. (2016). Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes. Science, 353, 6304. DOI: 10.1126/science.aag0822

原文:

Vox, This might be the coolest visualization of evolution ever, 9 September 2016

文/eh

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