Vi khuẩn trở nên kháng thuốc như thế nào?

Để thực hiện điều đó, các nhà khoa học đã thiết kế một chiếc đĩa petri với kích thước khoảng 30 x 60 cm, đổ vào đó 14 lít agar (thạch trắng hay rau câu), một chất có nguồn gốc từ rong biến, thường được sử dụng trong các thí nghiệm để cung cấp dĩnh dưỡng cho sinh vật, hỗ trợ quá trình phát triển của chúng.

Để quan sát việc các vi khuẩn Escherichia coli ngày càng thích ứng với kháng sinh liều cao diễn ra như thế nào, các nhà nghiên cứu chia đĩa thí nghiệm thành nhiều phần, sau đó hòa tan vào đó thuốc với liều lượng khác nhau. Vành ngoài cũng của đĩa không chứa bất kỳ loại thuốc nào. Theo thứ tự từ ngoài vào trong, phần kế tiếp của đĩa chứa một lượng nhỏ kháng sinh - trên mức tối thiểu đủ để tiêu diệt vi khuẩn, và càng đi sâu vào giữa, liều lượng thuốc lại tăng thêm gấp 10 lần.

Tại trung tâm, thức ăn dành cho vi khuẩn chứa lượng kháng sinh gấp 1000 lần so với mức thấp nhất. Trong suốt hơn 2 tuần, toàn bộ diễn biến ở chiếc đĩa này đều được ghi lại bởi một máy ảnh gắn trên trần nhà, cuối cùng là tạo thành một video time-lapse. Kết quả như thế nào? Mọi thứ, từ việc vi khuẩn chết, sống sót, phát triển; tất cả đều có thể quan sát bằng mắt thường.

Các nhà khoa học gọi sản phẩm mà mình tạo thành là "Microbial Evolution, and Growth Arena" (MEGA - Sự tiến hóa của Vi khuẩn và Vũ đài tăng trưởng), cung cấp một giải pháp đơn giản và thực tế hơn, từ đó tạo ra nền tảng phục vụ cho các khám phá về sự tương tác giữa không gian và các thách thức trong tiến hóa của sinh vật, giữa hai lựa chọn: thay đổi hoặc là chết, các nhà nghiên cứu chia sẻ.

“Chúng tôi có biết một chút về cơ chế bảo vệ bên trong vi khuẩn, dùng để tránh các kháng sinh, nhưng chúng tôi thực sự không biết nhiều về chuyển động cơ thể của chúng trong không gian, giúp chúng thích nghi và tồn tại trong nhiều môi trường khác nhau”, Michael Baym đến từ khoa Hệ thống Sinh học tại HMS, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.

Roy Kishony trong phòng thí nghiệm

Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng lưu ý đĩa petri khổng lồ mà họ sử dụng trong nghiên cứu sẽ không phản ánh hoàn toàn cách vi khuẩn thích ứng và phát triển ngày càng mạnh mẽ hơn trong thế giới thực, tuy nhiên, có thể nói đây là mô phỏng gần với thực tế nhất, so với bất kỳ thí nghiệm nào từng được thực hiện trước đây.

Trong quá trình tiến hóa của vi khuẩn, không gian và các vấn đề địa lý khác cũng đóng một vai trò không thể xem nhẹ. Di chuyển trong môi trường thực có kháng sinh với hàm lượng khác nhau sẽ tạo ra nhiều thách thức đối với vi khuẩn hơn, so với trong môi trường phòng thí nghiệm vốn có diện tích nhỏ, với liệu lượng kháng sinh đồng nhất.

Ngoài việc cung cấp một cái nhìn trực quan của quá trình tiến hóa, nghiên cứu mới cũng cung cấp thêm nhiều hiểu biết quan trọng về hành vi của vi khuẩn khi chúng tiếp xúc với thuốc ở liều lượng ngày càng cao. Sau đây là một vài kết luận của các nhà khoa học sau khi tiến hành thí nghiệm:

• Vi khuẩn sẽ lan truyền cho đến khi chúng đi đến một nồng độ kháng sinh nhất định, khi đó, chúng không còn khả năng phát triển thêm nữa.
• Ở mỗi cấp độ thuốc, sẽ có một nhóm nhỏ các vi khuẩn có khả thích nghi và sống sót. Khi đột biến kháng thuốc xuất hiện, các thế hệ vi khuẩn tiếp theo sẽ di chuyển đến vùng có nồng độ kháng sinh cao hơn. Sẽ có nhiều dòng đột biến tranh giành cùng một không gian. Những dòng vi khuẩn đột biến thắng cuộc sẽ tiếp tục tiến vào vùng có thuốc mạnh hơn, cho đến khi đi đến nơi có hàm lượng kháng sinh mà chúng không thể tồn tại.
• Mỗi lần đi qua khu vực có liều lượng kháng sinh càng cao, đột biến kháng thuốc mức độ thấp sẽ tạo nên đột biến kháng thuốc vừa phải, cuối cùng là tạo ra dòng vi khuẩn kháng thuốc có thể chống chịu với nồng độ kháng sinh cao nhất.
• Chỉ trong vòng 10 ngày, vi khuẩn đã cho ra đời các chủng đột biến có khả năng sống sót trước liều kháng sinh trimethoprim cao hơn gấp 1.000 lần so với nồng độ đã giết chết “tổ tiên” chúng. Khi các nhà nghiên cứu sử dụng kháng sinh bán tổng hợp ciprofloxacin, khả năng kháng thuốc của vi khuẩn gấp 100.000 lần ban đầu.
• Các dòng đột biến ban đầu có khả năng tăng trưởng chậm hơn, cho thấy vi khuẩn thích nghi với kháng sinh không thể tăng trưởng ở tốc độ tối ưu. Khi trở nên hoàn toàn kháng thuốc, vi khuẩn lấy lại tốc độ tăng trưởng thông thường.
• Vi khuẩn có sức đề kháng cao nhất không có nghĩa là chúng di chuyển nhanh nhất. Đôi khi, chúng bị bỏ lại phía sau, trong khi những chủng yếu hơn dẫn đầu trong nhóm tiếp cận vùng có nồng độ kháng sinh cao hơn.
• Một giả thiết cổ điển cho rằng dòng đột biến tồn tại ở nồng độ thuốc cao nhất có khả năng kháng kháng sinh cao nhất, nhưng quan sát của nhóm nghiên cứu cho rằng không phải thế.

"Những gì chúng tôi quan sát được cho thấy sự tiến hóa không phải lúc nào cũng được dẫn dắt bởi dòng đột biến kháng thuốc nhất," Baym nói. “Đôi khi, những ‘kẻ đến trước’ lại có lợi thế hơn. Trên thực tế, các chủng vi khuẩn đột biến mạnh nhất, thường di chuyển chậm hơn các chủng dễ bị tổn thương hơn. Những dòng có thể đi đến vị trí mới đầu tiên thường có khả năng kháng thuốc cao hơn, chứ không phải là những dòng đột biến mang nhiều sức mạnh”.

Xem thêm: Harvard Gazette​