Приспособленность мутантов β-лактамазы нелинейно зависит от уровня устойчивости при сублетальных концентрациях антибиотика

Адаптивные эволюционные процессы ограничены доступностью мутаций, повышающих приспособленность и в совокупности формирующих ландшафт приспособленности, который отображает соответствие генотипов уровню приспособленности в заданных условиях. Экспериментально полученные ландшафты приспособленности продемонстрировали предсказуемость эволюции, выявив ограниченное число «мутационных путей», по которым естественный отбор может перемещаться от генотипов с низкой к генотипам с высокой приспособленностью. Однако в таких исследованиях для определения приспособленности часто используют косвенные показатели. Мы оценили конкурентную приспособленность мутантов относительно всех одношаговых мутантных соседей, чтобы описать ландшафт приспособленности для трёх мутаций в ферменте β-лактамазе. Оценку приспособленности проводили при сублетальных концентрациях антибиотика цефотаксима в среде с пространственной структурой и без неё. В среде без пространственной структуры антибиотик отбирал варианты с более высокой устойчивостью, однако у части мутантов приспособленность была одинаковой, несмотря на существенные различия в устойчивости, что приводило к стратифицированному ландшафту приспособленности. Напротив, в среде с пространственной структурой и низкой концентрацией антибиотика относительное преимущество в приспособленности имели генотипы, чувствительные к антибиотикам; это было связано с индуцированной антибиотиком филаментацией. Эти результаты ставят под сомнение наличие у высокоустойчивых генотипов особого селективного преимущества в среде с субингибирующими концентрациями антибиотиков и показывают, что для содержательного прогнозирования доступности эволюционных путей необходимы прямые оценки приспособленности.

Эволюция популяций бактерий, устойчивых к антибиотикам, лежит в основе продолжающегося кризиса антибиотикорезистентности. Мы стремились понять, как ферменты, разрушающие антибиотики, могут эволюционировать, приводя к повышению устойчивости, какие ограничения действуют на этот процесс и поддаётся ли он прогнозированию. Для этого были проведены конкурентные эксперименты с полным набором комбинаций мутантов гена β-лактамазы при воздействии субингибирующих концентраций антибиотика цефотаксима. Хотя некоторые мутации обеспечивали бактериям высокую устойчивость к цефотаксиму, в условиях конкуренции они не всегда давали селективное преимущество. В частности, мутанты с высокой устойчивостью имели одинаковую приспособленность при разных уровнях устойчивости и даже были селективно невыгодны в условиях пространственной структуры. В совокупности эти результаты показывают, что связь между уровнем устойчивости и приспособленностью при субингибирующих концентрациях сложна; прогнозирование эволюции антибиотикорезистентности требует знания условий, отбирающих устойчивые генотипы, и селективного преимущества, которое возникшие в ходе эволюции варианты имеют перед своими предшественниками. Значимость: