Da li bakterije mutiraju nasumično ili mutiraju u neku svrhu? Istraživači su se bavili ovom zagonetkom više od jednog veka.
Godine 1943. mikrobiolog Salvador Lurija i fizičar koji je postao biolog Maks Delbrik izmislili su eksperiment kojim su dokazali da su bakterije besciljno mutirale. Koristeći svoj test, drugi naučnici su pokazali da bakterije mogu da steknu otpornost na antibiotike sa kojima se ranije nisu susrele.
Eksperiment Lurija-Delbrik imao je značajan uticaj na nauku. Nalazi su pomogli Luriji i Delbruku da osvoje Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu 1969. godine, a učenici danas uče ovaj eksperiment u učionicama biologije. Ovaj eksperiment proučavam u svom radu kao biostatičar više od 20 godina.
Decenijama kasnije, ovaj eksperiment nudi lekcije koje su i danas relevantne, jer implicira da bakterije mogu razviti otpornost na antibiotike koji još nisu razvijeni.
Zamislite epruvetu koja sadrži bakterije koje žive u hranljivom bujonu. Čorba je zamućena zbog visoke koncentracije bakterija u njoj. Dodavanje virusa koji inficira bakterije, takođe poznate kao fag, u epruvetu ubija većinu bakterija i čini bujon bistrim.
Međutim, držanje epruvete u uslovima povoljnim za rast bakterija će vremenom ponovo zamutiti supu. Ovo ukazuje da su bakterije razvile otpornost na fage i da su bile u stanju da se razmnožavaju.
Kakvu su ulogu u ovoj promeni imali fagi?
Neki naučnici su mislili da fagi podstiču bakterije da mutiraju radi preživljavanja. Drugi su sugerisali da bakterije rutinski mutiraju nasumično, a razvoj varijanti otpornih na fage bio je jednostavno srećan ishod. Lurija i Delbrik su mesecima radili zajedno na rešavanju ove zagonetke, ali nijedan od njihovih eksperimenata nije bio uspešan.
U noći 16. januara 1943. Lurija je dobio nagoveštaj kako da razotkrije misteriju dok je gledao kolegu kako osvaja džekpot na automatu. Sledećeg jutra je požurio u svoju laboratoriju.
Lurijin eksperiment se sastojao od nekoliko epruveta i posuda. Svaka epruveta je sadržavala hranljivu supu koja bi pomogla bakterijama E. coli da se razmnožavaju, dok je svaka posuda sadržavala materijal obložen fagima.
Nekoliko bakterija je stavljeno u svaku epruvetu i dobile dve mogućnosti da se generišu varijante otporne na fage. Mogli su ili da mutiraju u epruvetama u odsustvu faga, ili su mogli da mutiraju u posudama u prisustvu faga.
Sledećeg dana, Lurija je prebacio bakterije iz svake epruvete u posudu napunjenu fagima. Dan nakon toga izbrojao je broj rezistentnih kolonija bakterija u svakoj posudi.
Ako bakterije razviju otpornost na fage interakcijom sa njima, nijedna od bakterija u epruvetama ne bi trebalo da ima mutacije. S druge strane, samo nekoliko bakterija – recimo, 1 od 10 miliona bakterija – treba da proizvede otporne varijante kada se prebace u posudu koja sadrži fage. Svaka varijanta otporna na fag bi prerasla u koloniju, ali bi preostale bakterije umrle od infekcije.
Ako bakterije razviju otpornost nezavisno od interakcije sa fagima, neke od bakterija u epruvetama će imati mutacije. To je zato što svaki put kada se bakterija podeli u epruveti, ima malu verovatnoću da proizvede otpornu varijantu.
Ako je početna generacija bakterija prva koja mutira, najmanje polovina bakterija će biti otporna u kasnijim generacijama. Ako bakterija u drugoj generaciji prva mutira, najmanje osmina bakterija će biti otporna u kasnijim generacijama.
Poput isplate malih nagrada u slot mašinama, mutacije kasne generacije se javljaju češće, ali daju manje otpornih varijanti. Kao i džekpotovi, mutacije rane generacije se javljaju retko, ali daju veliki broj varijanti. Mutacije rane generacije su retke jer u ranoj fazi postoji samo mali broj bakterija dostupnih za mutaciju.
Na primer, u eksperimentu od 20 generacija, mutacija koja se javlja u 10. generaciji bakterija dala bi 1.024 varijante otporne na fage. Mutacija koja se javlja u 17. generaciji dala bi samo četiri varijante otporne na fage.
Broj rezistentnih kolonija u Lurijinim eksperimentima pokazao je sličan obrazac kao kod isplate novca na automatima. Većina jela nije sadržala ili je sadržala mali broj mutantnih kolonija, ali nekoliko je sadržalo veliki broj kolonija mutanta koje je Lurija smatrao džekpotima. To je značilo da su bakterije razvile otporne varijante pre nego što su stupile u interakciju sa fagima u posudama.
Lurija je poslao poruku Delbriku nakon što je eksperiment bio završen, tražeći od njega da proveri svoj rad. Dva naučnika su zatim zajedno radili na pisanju klasičnog rada koji opisuje eksperimentalni protokol i teorijski okvir za merenje stope bakterijskih mutacija.
Drugi naučnici su sproveli slične eksperimente zamenjujući fage penicilinom i lekovima protiv tuberkuloze. Slično, otkrili su da bakterije ne moraju da naiđu na antibiotik da bi stekle otpornost na njega.
Bakterije su se oslanjale na nasumične mutacije da bi se izborile sa surovim okruženjem koje se stalno menja milionima godina. Njihove neprestane, nasumične mutacije će ih dovesti do neizbežnog razvoja varijanti koje su otporne na antibiotike budućnosti.
Otpor na droge je životna realnost koju ćemo morati da prihvatimo i protiv koje ćemo nastaviti da se borimo.
