Antibiotikaresistens: Et eksempel på sjanse og nødvendighet, eller programmering?
Av Emily Reeves, 9. mai 2024. Oversatt herfra lenke

Antibiotikaresistens blir ofte omtalt som et eksempel på "evolusjon som skjer foran øynene våre." Men hvilken del av antibiotikaresistens skyldes faktisk tilfeldige mutasjoner? Er det sider ved antibiotikaresistens som skyldes programmerte genetiske varianter initiert av organismen selv? Her skal jeg dele en nøkkelartikkel som prøver å svare på disse spørsmålene.
I 2019 oppdaget et team av forskere et protein kalt Mfd, som når det slettes gjør det mye vanskeligere for bakterier å 'utvikle' antibiotikaresistens. (Ragheb et al. 2019) Mfd er en DNA-translokase som hadde blitt påstått å være involvert i nukleotideksisjonsreparasjon, men studien fant at fraværet av dette ene proteinet reduserte mutasjonshastigheten med 2- til 5 ganger ved visse genomposisjoner. Dette antyder at Mfd styrer genetiske endringer på de spesifikke stedene.

Bilde 1. Bacillus-subtilis

Et protein involvert i å generere spesifikke mutasjoner
For å gi flere detaljer, i det første eksperimentet fra Ragheb et al., ble Luria-Delbruck Fluctuation Analysis brukt til å beregne mutasjonshastigheten for B. subtilis, P. Aeruginosa, S. Typhimurium og M. tuberculosis i nærvær og fravær av Mfd. Det som ble observert er at stammer uten Mfd hadde en 2-5 ganger reduksjon i mutasjonsratene målt ved resistens mot rifampicin, som er et antibiotikum. Dette er fascinerende fordi det antyder at bakterieproteinet, Mfd, faktisk forårsaker mutasjoner! Mutasjonen skyldes ikke et tilfeldig treff av ioniserende stråling. Bakteriene muterer faktisk seg selv. {Et eks. på systembiologi, som er fagfeltet Reeves sikter mot-oversetters merknad.}

Nå til noen viktige forbehold:
Bare fordi mutasjonsraten målt ved rifampicinresistens øker, betyr ikke det nødvendigvis at mutasjonshastigheten for hele genomet påvirkes. Utvelgelse ved rifampicinresistens betyr at den beregnede mutasjonshastigheten er basert på en region som omfatter 3582 bps ("rpoB DNA-Directed RNA Polymerase Subunit Beta [Bacillus Stercoris]") sammenlignet med den fulle størrelsen på genomet som er 4 214 810 basepar (Kunst et al.). Derfor kunne ikke resten av genomet ha en økning i mutasjonshastighet. (Spoilervarsel: dette viser seg å være tilfelle!)

Bilde 2. Konklusjoner i forelesning om styrte mutasjoner -lenke

Det er også uklart om den økte mutasjonsraten i rpoB er en bakgrunnsprosess eller om den utløses som respons på antibiotika-sensing. Luria-Delbruck-fluktuasjonsanalysen, kjent for sin rolle i å skille mellom slike scenarier, kan skille mellom disse hypotesene, men teksten angir ikke eksplisitt hvilket resultat som ble observert. For de som ikke er kjent med dette eksperimentet, har Luria-Delbruck-fluktuasjonsanalysen blitt tolket som støttende for den darwinistiske hypotesen, som antyder at mutasjoner oppstår tilfeldig, med fordelaktige mutasjoner naturlig valgt. Dette er i motsetning Lamarck hypotesen, som antyder at mutasjoner er et resultat av en organismerespons på selektive trykk. {som nå kan bekreftes epigenetisk-lenke oversetters merknad.}

Forfatterne tolket fraværet av Mfd som fører til en 2-5 ganger reduksjon i mutasjonsrater som beskjeden, men de mistenkte at disse forskjellene kunne påvirke kinetikken (resistenshastigheten) og utviklingen av resistens. Dermed så de på hvordan resistens mot antibiotika (rifampicin, fosfomycin, trimetoprim, kanamycin og vankomycin), kunne utvikle seg ved å starte med lavere konsentrasjoner av antibiotika og bygges opp over 35-70 generasjoner. Disse forsøkene viste en 6 - til 21 ganger forskjell for S. typhimurium og for B. subtilis. Det var en 32 ganger forskjell i median antibiotikakonsentrasjon som kunne tolereres mellom stammer som inneholdt og ikke inneholdt Mfd. Mfd gjør at bakteriene raskere kan utvikle resistens mot høyere nivåer av et spekter av antibiotika, som alle har ulike resistensmål i genomet.

En annen viktig observasjon er at når antibiotika ble økt gradvis over tid, sammenlignet med Luria-Delbruck fluktuasjonsanalysen hvor antibiotika var statisk og tilstede i dødelige nivåer for uforberedte bakterier, ble det observert en mer uttalt forskjell mellom stammer med og uten Mfd. Observasjonen av at en gradvis akkumulering resulterte i en større forskjell antyder at bakteriene muligens føler toksiner og reagerer på riktig måte, som det ikke er tid til under Luria-Delbruck-analysen, på grunn av hvordan dette eksperimentet er utført.

Hvordan genererer Mfd spesifikke mutasjoner?
Forfatterne vet ikke nøyaktig hvordan Mfd genererer spesifikke mutasjoner eller om det gjør det direkte, men de brukte Sanger-sekvensering for å identifisere genetiske varianter som oppsto i løpet av dette tidsforløpet innenfor rifampicin- og trimetoprim-resistensmålene (henholdsvis rpoB og folA). å analysere sekvensene fra hvert tidspunkt avslørte genetiske endringer som muliggjorde resistens. Uten Mfd ble bare omtrent en halv til en tredjedel av motstandsendringene observert, og det var også en forsinkelse i endringene som oppsto uten Mfd. I tillegg til bevisene for Mfds nøkkelrolle i å utvikle spesifikke motstandsendringer, ble andre og tredje genetiske endringer sjelden observert i de respektive målene uten Mfd. Til sammen betyr dette at Mfd har en promutagen funksjon, som kan være kritisk for generering av ytterligere genetiske endringer.
Så for å se om det var mutasjoner utenfor disse regionene, utførte forfatterne helgenomsekvensering (WGS) på seks tilfeldig valgte replikater fra tidsforløpseksperimentet. WGS bekreftet Sanger-sekvenseringsresultatene: uten Mfd var det mange færre mutasjoner i rpoB-lokuset. Det er viktig at de ikke fant ytterligere mutasjoner utenfor rpoB for noen av de utviklede rifampicinresistens-stammene. Dette er et kritisk funn, som sterkt antyder at denne mekanismen IKKE introduserer uspesifikke mutasjoner over genomet, men gjør spesifikke mutasjoner i kjente antibiotikamål for å gi resistens.

Bilde 3. Gener og proteiner kan indusere antibiotiske reaksjoner -i spesifikke lokasjoner

Følgelig var resultatene fra WGS for stammene med trimetoprim-resistens forskjellige. De fant mutasjoner utenfor den kodende regionen til folA, i promotorregionen, samt en tilbakevendende mutasjon i dnaQ-genet som genererte en hypermutator-fenotype:
"Vi fant at tre av seks WT-sekvenserte trimetoprim-utviklede stammer inneholdt en punktmutasjon i dnaQ-genet (alle stammer hadde samme dnaQ(I33N)-mutasjon), ingen av Λmfd-stammene inneholdt noen mutasjoner i dnaQ-genet."
I samsvar med hypermutatormutasjonen fant de 600 akkumulerte mutasjoner på tvers av genomet, som de merker at må studeres for å se om de spiller en funksjonell rolle, eller bare er 'haiker'-mutasjoner. Observasjonen av at en veldig spesifikk dnaQ-mutasjon ble generert flere ganger uavhengig, antyder at Mfd-proteinet spiller en kritisk rolle der spesifikke regioner av genomet vil endre seg som respons på tilstedeværelsen av toksiner (antibiotika).

Et ikon for evolusjon
Antibiotikaresistens er et ikon for observerbar evolusjon; Imidlertid er det usikkert i hvilken grad tilfeldige mutasjoner underbygger fenomenet. Darwinistisk evolusjon avhenger av tilfeldige hendelser, for eksempel mutasjoner indusert av ioniserende stråling eller feil fra DNA-kopieringsmaskineri. Likevel fremhever de sentrale funnene i denne undersøkelsen at en betydelig del av antibiotikaresistens ikke stammer fra stokastiske mutasjoner, men snarere fra bakterielle forhåndsprogrammerte mutasjonsinduserende mekanismer, tilrettelagt av proteinet Mfd, som spiller en strategisk rolle i å dirigere de spesifikke genomiske regionene der endringer vil skje. Dette gir igjen antibiotikaresistens.

Dette viser at styrt mutagenese er kritisk tidsbestemt til antibiotikaresistens og setter dermed spørsmålstegn ved den vanlige fremstillingen av antibiotika-resistens som et eksempel på darwinistisk evolusjon som utspiller seg i sanntid. Foreløpig har bevisbyrden økt for de som stoler på enhver sjansebasert teori om opprinnelse, for nå må de forklare fremveksten av denne programmerte mekanismen. Og de har mistet noen av mutasjonene de stolte på for å gjøre det, siden denne forskningen viser at mye av det de har hevdet var virkelige tilfeldige mutasjoner, nå tydeligvis forekommer under programmert kontroll.
Følgelig stemmer disse funnene mer overens med teorien om intelligent design. ID spår at ting som ser ut som evolusjon faktisk er et resultat av designmekanismer innebygd i organismer - i dette tilfellet mekanismer som utnytter stokastisitet mot et funksjonelt mål, snarere enn den tilfeldighetsdrevne prosessen til darwinistisk evolusjon.

Bilde 4. Lynn Margulis hadde begrenset tro på mutasjoner smo mekanismen for livets mangfold

Referanser, se til slutt i artikkelen -lenke.

EMILY REEVES -Bilde .

Emily Reeves er en biokjemiker, metabolsk ernæringsfysiolog og aspirerende systembiolog. Doktorgradsstudiene hennes ble fullført ved Texas A&M University i biokjemi og biofysikk. Emily er for tiden en aktiv kliniker for metabolsk ernæring og ernæringsgenomikk ved Nutriplexity. Hun liker å identifisere og designe ernæringsintervensjon for subtile medfødte metabolismefeil. Hun jobber også med stipendiater fra Discovery Institute og det større vitenskapelige samfunnet for å fremme integrering av ingeniørvitenskap og biologi. Hun tilbringer helgene sine på tur med mannen sin, brygger kombucha og løper i nærheten av Puget Sound.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund