Science：大肠杆菌的耐药性进化能力远远超过科学家们之前的想象

根据2023年11月24日发表在《科学》杂志上的一项新研究，大肠杆菌可能比科学家之前认为的更有能力进化出抗生素耐药性。

在SFI外部教授Andreas Wagner的带领下，研究人员通过实验绘制了一种大肠杆菌蛋白的26万多种可能突变，这种蛋白质在暴露于抗生素Trimethoprim (甲氧苄啶)时对细菌的生存至关重要。

在数千个高度逼真的数字模拟过程中，研究人员发现，大肠杆菌蛋白所有可能的进化路径中，有75%最终赋予了细菌如此高的抗生素耐药性，以至于临床医生不再给病人使用抗生素trimethoprim。

苏黎世大学的进化生物学家Wagner说:“从本质上讲，这项研究表明，像大肠杆菌这样的细菌可能比我们最初想象的更善于进化出对抗生素的耐药性，这对理解进化生物学、化学和其他领域的各种系统如何适应和进化具有更广泛的意义。”

除了发现关于抗生素耐药性的令人担忧的新发现外，研究人员的工作还对一个长期存在的关于健康景观的理论提出了质疑。这些基因图谱代表了一个有机体——或者它的一部分，比如蛋白质，适应环境的能力。

在适合度图像中，不同点代表生物体的不同基因型，这些点的高度代表每种基因型对其环境的适应程度。用进化生物学的术语来说，目标是找到最高峰，即最适合的基因型。

关于适应性图像的主流理论预测，在高度崎岖的景观中，或者有多个适应性高峰的景观中，大多数进化种群将被困在较低的高峰上，永远不会达到进化适应的顶峰。

然而，到目前为止，由于缺乏足够大的适应性景观的实验数据，测试这一理论一直非常困难。

为了应对这一挑战，Wagner及其同事使用CRISPR基因编辑技术为大肠杆菌二氢叶酸还原酶(DHFR)蛋白创建了迄今为止最完整的组合适应度景观。

他们的发现令人惊讶。地形上有许多山峰，但大多数都是低适应性的，使它们对适应不那么感兴趣。然而，即使在这种崎岖不平的环境中，他们模拟的大约75%的种群达到了高适应性峰值，这将使大肠杆菌具有高度的抗生素耐药性。

现实世界的影响是重大的。如果像这样崎岖不平的景观在生物系统中很常见，这可能意味着许多适应性过程，如抗生素耐药性，可能比以前想象的更容易实现。

这一结果可能最终导致对各个领域理论模型的重新评估，并推动对现实世界景观如何影响进化过程的进一步研究。

“这不仅对生物学有深远的影响，而且对其他领域也有深远的影响，促使我们重新评估我们对各个领域景观进化的理解。我们需要从抽象的理论模型转向基于数据的、现实的景观模型。”

文章标题

A rugged yet easily navigable fitness landscape