Science：新研究针对大肠杆菌的抗生素耐药性和适应度景观提供了新的见解

在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世大学等研究机构的研究人员通过实验绘制了一种大肠杆菌蛋白可能发生的26万多种突变，发现大肠杆菌进化出抗生素耐药性的能力可能远远超过科学家们之前的想象。相关研究结果发表在Science期刊上，论文标题为“A rugged yet easily navigable fitness landscape”。

在数千次高度逼真的数字模拟过程中，这些作者发现，在这种大肠杆菌蛋白所有可能的进化路径中，有 75% 的路径最终赋予了这种细菌极高的抗生素耐药性，以至于临床医生不会再给患者使用抗生素甲氧苄啶（trimethoprim）。

论文通讯作者、苏黎世大学进化生物学家Andreas Wagner教授说，“从本质上讲，这项研究表明，像大肠杆菌这样的细菌可能比我们最初想象的更善于进化出抗生素耐药性，这对理解进化生物学、化学和其他领域的各种系统如何适应和进化具有更广泛的意义。”

这项新的研究除了揭示了抗生素耐药性方面令人担忧的新发现外，还对一种长期存在的关于适应度景观（fitness landscape）的理论提出了质疑。这些遗传图谱代表了有机体或有机体的一部分（如蛋白）对环境的适应程度。

就适应度图谱而言，该图谱上的不同点代表有机体的不同基因型，这些点的高度代表每种基因型对环境的适应程度。在进化生物学术语中，目标是找到最高的峰值，这表示最适合的基因型。

关于适应度景观的流行理论预测，在高度崎岖的景观中，或者在具有多个适应度峰值的景观中，大多数进化种群将被困在较低的峰值，永远无法达到进化适应的顶峰。然而，由于缺乏足够大的适应度景观的实验数据，在此之前检验这一理论都非常困难。

图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adh3860。

为了应对这一挑战，Wagner及其同事们利用 CRISPR 基因编辑技术，为大肠杆菌二氢叶酸还原酶（DHFR）蛋白构建了迄今为止最完全的组合适应度景观。他们的发现令人惊讶。该景观有许多峰值，但大多数适合度较低，因此对适应度的影响较小。然而，即使在这种崎岖不平的景观中，他们模拟的种群中也有约 75% 达到了较高的适应度峰值，这将赋予大肠杆菌很强的抗生素耐药性。

这对现实世界具有重大意义。如果像这样的崎岖景观在生物系统中很常见，这可能意味着许多适应过程，如抗生素耐药性，可能比以前想象的更容易获得。

这一结果最终可能会促使人们重新评估多个领域的理论模型，并促使人们进一步研究现实世界的适合度景观如何影响进化过程。

Wagner说，“这不仅在生物学领域，而且在其他领域都有深远影响，促使我们重新评估对不同领域中景观进化的理解。我们需要从抽象的理论模型转向以数据为依据的现实景观模型。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Andrei Papkou et al. A rugged yet easily navigable fitness landscape. Science, 2023, doi:10.1126/science.adh3860.

Study provides fresh insights into antibiotic resistance, fitness landscapes
https://www.santafe.edu/news-center/news/study-provides-fresh-insights-antibiotic-resistance-fitness-landscapes