绘制大肠杆菌图谱，克服抗生素耐药性

Fitness landscape. — 图片:这张地形图显示了大肠杆菌对四环素耐药性的逐步发展，四环素是一种常用的抗生素，用于治疗各种感染。位于“山脉”顶部(红色部分)的细菌具有最佳的适应性，最有可能抵抗抗生素的影响。

抗生素耐药性是一个全球关注的问题，当引起感染的细菌进化到不再受典型抗生素的影响时。东京大学的一项新研究绘制了大肠杆菌自然选择的进化和过程。这些图谱帮助我们更好地了解细菌的逐步发展和特征，以及对八种不同的药物有耐药性，包括抗生素。研究人员希望他们的结果和方法对预测和控制有用。

你是否曾在吃了未煮熟的汉堡后感到恶心?或者昨天晚餐的剩菜在冰箱里放得太久了?食物中毒有许多不同的种类，但一个常见的原因是细菌的生长，如大肠杆菌．大多数情况下虽然不舒服，但可以在家里通过休息和补充水分来控制。然而，在某些情况下，它可能导致危及生命的感染。如果你有细菌感染，抗生素药物可以是一个强大而有效的治疗。但是抗生素耐药性，即细菌变得足够强大，以至于对药物没有反应的能力，是一个严重的全球问题。如果抗生素不再有效，那么我们将再次面临因小伤和普通疾病而导致严重疾病的风险。

“能够预测和控制细菌进化的方法的开发对于发现和抑制耐药细菌的出现至关重要，”研究人员Junichiro Iwasawa说，他当时是科学研究生院的博士生。“因此，我们开发了一种新的方法，通过使用从实验室进化实验中获得的数据来预测耐药性进化”。

研究人员使用了一种称为自适应实验室进化(ALE)的方法来“回放”耐药性的进化过程。这种方法使研究人员能够在实验室中研究具有特定可观察特征(称为表型)的菌株的进化。这有助于他们深入了解在长期的自然选择过程中细菌可能发生的变化。

“虽然传统的实验室进化实验是劳动密集型的，但我们通过使用以前在我们实验室开发的自动化培养系统缓解了这个问题。这使我们能够获得与耐药性进化相关的表型变化的足够数据，”Iwasawa解释说。“通过分析获得的数据，使用主成分分析(一种机器学习方法)，我们已经能够阐明药物耐药性进化的适应度景观”。

这个图谱看起来像3D地形图。地图上的山脉和山谷代表了一个有机体的进化过程。山峰上的生物已经进化出了更好的“适应性”，或在环境中生存的能力。Iwasawa解释说:“适应度景观的坐标代表了生物体的内部状态，例如基因突变模式(基因型)或耐药性概况(表型)等。因此，适应度景观描述了生物体的内部状态与其相应的适应度水平之间的关系。通过阐明适应性景观，进化的进程有望是可预测的。”

研究小组认为，他们在这项研究中绘制的图谱和在这个过程中开发的方法不仅对预测和控制有用，还有其他形式的微生物进化。研究人员希望这将导致未来的研究能够找到抑制耐药细菌的方法，并有助于生物工程和农业有用微生物的发展。Iwasawa总结道:“下一个重要的步骤是尝试使用适应性图谱来控制耐药性的进化，看看我们能控制到什么程度。这可以通过根据来自图谱的信息设计实验室进化实验来实现。我们迫不及待地想看到即将到来的结果。”