실험적 진화 렌즈를 통한 생물막 항균제 감수성

Oct 13, 2023

npj Biofilms and Microbiome 8권, 기사 번호: 82(2022) 이 기사 인용

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박테리아 개체군을 반복적으로 항균 처리에 노출시키는 실험적 진화 실험과 생성된 진화된 박테리아의 유전자형 및 표현형을 조사하면 감수성 감소 뒤에 숨은 메커니즘을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 리뷰에서 우리는 실험적 진화에 생물막을 포함시키는 것이 왜 중요한지, 생물막의 실험적 진화를 연구하는 데 사용할 수 있는 접근법과 생물막의 내성과 저항성에 대해 실험적 진화가 우리에게 가르쳐 준 것에 대한 개요를 제시합니다. 마지막으로, 우리는 실험적 진화 연구 중에 얻은 데이터에 의해 뒷받침되는 생물막 항균제 감수성에 대한 새로운 합의 견해를 제시합니다.

실험적 진화(박스 1)는 실험자가 부과하고 통제한 조건에 반응하여 집단에서 발생하는 진화 과정에 대한 연구입니다1. 최초의 미생물 실험 진화 연구는 1880년대로 거슬러 올라갑니다2. 실험적 진화는 1950년대에 Francis J. Ryan에 의해 세균학에 도입되었으며3 Richard Lenski가 시작한 장기 진화 실험(LTEE)으로 유명해졌습니다. 1980년대에 출시되어 75,000세대 이상 동안 운영되었습니다4,5. LTEE 및 기타 많은 실험적 진화 실험은 구조화되지 않은 환경, 즉 대부분의 박테리아가 플랑크톤 상태인 액체 배양 환경에서 수행됩니다. 그러나 이미 구조화된 환경에서의 초기 진화 실험에서 플랑크톤 배양에서 일반적으로 관찰되는 것과 비교하여 적합성 진화(상자 1) 및 집단 내 변동성 측면에서 현저한 차이가 관찰되었습니다6,7.

생물막은 표면에 부착되거나 부유 또는 내장된 집합체로 발생하는 구조화된 미생물 군집입니다8. 다양한 구배(산소, 영양분, 항균제 등)가 생물막에 존재하여 뚜렷한 환경 조건을 지닌 공간적으로 구조화된 틈새가 발달하며9 이러한 미세 환경은 박테리아 성장에 직접적인 영향을 미치기 때문에 생물막 관련 감염의 결과를 함께 결정합니다. 및 대사, 항균 치료 효과10,11,12,13.

일반적인 실험적 진화14와 생물막15의 실험적 진화의 특정 측면이 최근에 검토되었습니다. 자세한 내용은 독자들에게 이러한 리뷰를 참조하도록 합니다. 생물막 개체군이 진화 과정에서 더욱 다양해지는 이유에 대한 간략한 요약이 아래에 제시되어 있습니다.

이질성으로 인해 생물막에는 여러 생태학적 틈새가 포함되어 있으며 이들 모두가 기존 유전자형에서 사용되는 것은 아닙니다. 이러한 사용되지 않은 틈새 시장은 새로운 유전자형에 대한 기회를 제공합니다. 더욱이, 새로운 유전자형은 주변 환경을 변경하여 추가적인 틈새를 만들 수 있습니다('틈새 구성')7,17. 공간적 이질성으로 인해 생물막 개체군은 독립적으로 진화하는 하위 개체군의 집합으로 간주될 수 있으며 이러한 개체군 단편화는 효과적인 개체군 크기를 감소시킵니다. 다양성에 대한 유전적 표류(박스 1)의 상대적 기여도가 작은 하위 모집단에서 더 높기 때문에 공간적 이질성은 궁극적으로 더 많은 다양성으로 이어집니다. 인구 단편화는 또한 특정 하위 모집단에 상대적으로 작은 영향을 미치면서 유익한 돌연변이의 고정(박스 1)을 허용합니다. 실제로, 큰 효과를 갖는 유익한 돌연변이는 작은 효과를 갖는 유익한 돌연변이보다 덜 빈번하며 전자는 모든 하위 집단에 나타날 가능성이 낮습니다. 결과적으로 작은 영향을 미치는 다양한 유익한 돌연변이가 발생하고 공간적으로 분리된 서로 다른 하위 집단에서 유지되어 전체 집단 내에서 더 많은 다양성을 가져올 것으로 예상됩니다. 최근의 실험 작업과 모델링은 공간적으로 구조화된 환경에서 유익한 돌연변이의 확산이 증폭되고 유익한 돌연변이가 손실될 가능성이 적다는 것을 보여주었습니다20. 그 이유는 구조화된 환경에서 선택이 이 돌연변이가 다른 하위 개체군으로 이동하는 것보다 특정 하위 개체군에서 유익한 돌연변이의 빈도를 더 빠르게 증가시킬 수 있기 때문입니다. 결과적으로, 이 유익한 돌연변이를 보유하는 돌연변이는 새로운 하위 집단으로 반복적으로 이동할 수 있을 가능성이 높으며, 이는 궁극적으로 유전적 부동으로 인해 이 돌연변이가 손실될 가능성을 줄입니다. 서로 다른 유익한 돌연변이(클론 간섭, 상자 1)를 보유한 돌연변이 간의 경쟁은 고정 시간을 증가시키고(즉, 특정 돌연변이가 다른 돌연변이를 능가하기까지 더 오랜 시간이 소요됨) 클론 간섭은 공간적으로 구조화된 환경에서 더 자주 발생합니다(유익한 돌연변이가 느린 돌연변이를 보여주기 때문에). , '파도 모양'이 인구 전체에 퍼짐)21. 결과적으로 여러 유익한 돌연변이가 생물막에서 동시에 발생할 수 있으며 결과적으로 다양성이 더 높아집니다. 낭포성 섬유증(CF) 환자의 폐에서 발생하는 것과 가장 유사한 조건(즉, 합성 CF 배지[SCFM])에서 녹농균의 시험관 내 진화가 더 낮은 병렬성(즉, 더 많은 다양성)으로 이어진다는 최근 관찰 ) 최소 매체에서의 진화보다 다양성을 생성하기 위해 공간적으로 분리된 하위 집단의 존재의 중요성을 확인합니다. 최소 배지와 달리 SCFM에는 점액이 포함되어 있어 유효 모집단 크기가 더 작은 공간적으로 구조화된 하위 모집단을 생성할 수 있으므로 복제 모집단에서 동일한 유익한 돌연변이를 찾을 가능성이 줄어듭니다.