Đĩa petri khổng lồ mô phỏng quá trình tiến hóa theo không gian và thời gian

Nhờ quá trình vi khuẩn E.coli lan rộng trong môi trường tăng dần hàm lượng kháng sinh, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra con đường tiến hóa mới của sự kháng thuốc.

Đây là những chiếc đĩa petri nhỏ, đây là những chiếc petri lớn, và đây là MEGA- chiếc đĩa agar đen khổng lồ kích thước 2x4 feet với một dải nồng độ thuốc kháng sinh. Các nhà nghiên cứu đã xây dựng chiếc đĩa này nhằm theo dõi con đường tiến hóa của sự kháng thuốc theo không gian và thời gian, nó cũng tiết lộ rằng một vi khuẩn kháng kháng sinh mạnh nhất không nhất thiết phải tăng sinh nhanh nhất.

Luke McNally, nhà vi sinh vật tiến hóa tại Đại học Edinburgh, đồng tác giả bài báo đã nói rằng “Trên đĩa kích thước khổng lồ này, bạn có thể thấy quá trình tiến hóa phân nhánh xảy ra và nó đẹp một cách kỳ lạ và thu hút”.

Đĩa petri dài hơn một mét này đã giúp các nhà khoa học hình dung quá trình tiến hóa của vi khuẩn kháng kháng sinh E. coli. Những vi khuẩn nằm ở các cạnh bên ngoài phải thích ứng với mức độ kháng sinh tăng dần khi chúng di chuyển về phía trung tâm của đĩa.

(Nguồn: Harvard Medical School)

Thông thường, các nhà khoa học thường nghiên cứu quá trình tiến hóa của vi khuẩn trong môi trường lỏng, trong đó các vi khuẩn sẽ phải cạnh tranh dinh dưỡng với toàn bộ quần thể còn lại. Giờ đây, với môi trường phát triển và tiến hóa vi sinh vật kiểu mới này, vi khuẩn sẽ phân chia theo cả không gian và thời gian, do đó làm giảm sự cạnh tranh, Michael Baym đồng tác giả tại Trương Y khoa Harvard (HMS) cho biết. Viktória Lázár, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về sinh học tiến hóa tại Trung tâm nghiên cứu sinh học Hungary, người không tham gia nghiên cứu cũng nhận xét rằng: các thiết lập trong nghiên cứu này đã cho thấy tầm quan trọng thường bị bỏ qua của môi trường vật lý xung quanh vi khuẩn.

“Hơn nữa, các đĩa này có thể chứa một quần thể vi khuẩn lớn hơn rất nhiều so với một thí nghiệm chất lỏng điển hình, do vậy tạo điều kiện cho việc quan sát các đột biến hiếm trở nên dễ dàng hơn. Nghiên cứu này thực sự đã cho phép chúng ta nhìn thấy tận mắt động lực tiến hóa”, theo Roy Kishony, đồng tác giả, người đứng đầu nhóm nghiên cứu về kháng kháng sinh tại HMS và Viện Công nghệ Technion–Israel.

Kishony và đồng tác giả nghiên cứu Tami Lieberman, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại MIT, đã mong muốn chứng minh một cách sống động quá trình tiến hóa cho các sinh viên của mình. Do đó, cùng với Baym và các cộng tác viên khác, họ đã xây dựng tấm nuôi cấy MEGA này. Họ đổ vào các đĩa acrylic khổng lồ này 2 lớp thạch (agar) – một là lớp nền vững chắc, tạo bởi các tấm sọc rời rạc chứa trimethoprim hoặc ciprofloxacin, tăng dần nồng độ về phía trung tâm của đĩa và phủ lên trên lớp “agar bơi (agar swim)” nhớt cho phép vi khuẩn di chuyển. Các lớp agar thấp hơn được nhuộm mực Ấn Độ để tạo độ tương phản với các hạt vi khuẩn màu trắng tại các đầu của đĩa không chứa kháng sinh.

Trong 10 ngày, cứ cách 10 phút, các nhà nghiên cứu sẽ chụp ảnh quá trình lan ra của vi khuẩn E.coli trên đĩa. Họ nhận thấy rằng vi khuẩn dừng lại một thời gian ngắn tại ranh giới trước khi sang khu vực có nồng độ kháng sinh cao hơn cho đến khi xuất hiện một đột biến tại khu vực có nồng độ cao hơn. Bằng cách thử nghiệm vi khuẩn với các liều lượng kháng sinh khác nhau tại vùng đầu tiên trên gradient, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được rằng sự tiến hóa tăng tính kháng của E.coli diễn ra nhanh hơn nếu ban đầu chúng chỉ gặp nồng độ kháng sinh trung gian thay vì nồng độ cao.

Sử dụng các quỹ đạo tiến hóa quan sát các vi khuẩn tiên phong, các nhà nghiên cứu đã phân lập và giải trình tự các vi khuẩn tại các điểm đột biến tiên phong. Họ đã phát hiện ra rằng các đột biến thích nghi diễn ra ở gene mã hóa cho enzyme đọc sửa DNA polymerase III, các gene mục tiêu của kháng sinh, và ở các gene không ngờ tới như các gene mã hóa vận chuyển phosphate và một kinase chưa rõ chức năng trong quá sinh thiết lập tính kháng, gợi ý có thể nảy sinh con đường tín hiệu thay thế.

Các nhà khoa học cũng tò mò khi tìm thấy nhiều vi khuẩn phía sau vùng ranh giới  mang tính kháng với khả năng tăng sinh chậm hơn, họ thu được các đột biến tiếp tục làm tăng cả sự tăng sinh và kháng kháng sinh sau đó. Thực tế, trong cuộc chạy đua đối đầu trực tiếp với các vi khuẩn mà lúc đầu sinh trưởng nhanh hơn thì những vi khuẩn tăng sinh chậm này lại phát triển tốt hơn vào cuối thí nghiệm. Trước đây, người ta thường nghĩ rằng lấy lại tốc độ tăng trường đồng nghĩa với phải loại bỏ tính kháng mới, nhưng những đột biến này đã gợi ý kết quả khác. Baym nói: “Cách để vượt qua sự cân bằng tiến hóa không phải luôn luôn là khôi phục lại những gì bạn có. Bạn có thể có được sự tăng sinh trở lại theo nhiều cách hơn là chỉ mất tính kháng”.

McNally cho biết ông hứng thú với tiềm năng của MEGA trong việc điều tra nhiều khía cạnh khác của các vấn đề kháng kháng sinh, như sự tương tác giữa nhiều loại thuốc hoặc nhiều loại vi khuẩn. Tuy nhiên, Julian Davies, người đang nghiên cứu về kháng sinh tại Đại học British Columbia, không tin ciproflaxaxin và trimethoprim tổng hợp và một môi trường nhân tạo có liên quan tới cách mà  kháng kháng sinh phát triển trong đất hoặc trong ruột người. Ông nói: “Đây là một bài báo hay nhưng nó sẽ thực sự hữu ích nếu bạn có thể lặp lại điều này trong hệ thống dạ dày”.

Cuối cùng, cho dù đĩa MEGA vẫn chưa thể cho thấy sự tiến hóa của vi khuẩn. nhưng Baym nói rằng ông tin mô hình này sẽ hoàn thành được mục đích ban đầu của nó đó là một công cụ giáo dục. Réka Spohn, đồng nghiệp của Lázár, một sinh viên sau đại học cũng đồng ý: “Đây là cách thực sự tuyệt vời và dễ dàng để quan sát sự tác động của tiến hóa đối với mỗi người”, và nó khiến cho các khái niệm trừu tượng như sự tiến hóa và đột biến trở nên cụ thể hơn.

Bài báo được công bố trên tạp chí Science.

Tài liệu tham khảo:

Jenny Rood, "Giant Petri Dish Displays Evolution in Space and Time", the-scientist, 8 September, 2016.

Lược dịch Nguyễn Đức Hiếu

Biên tập Biomedia Việt Nam