T.这是一种无声的流行病正在全球酝酿。它没有COVID-19夺去那么多生命，但如果它失去控制，可能会更致命。它不是由单一病毒引起的，而是由许多不同种类的细菌引起的，这些细菌正在缓慢进化，以抵御我们曾经强大的抗生素。把它想象成一个超级细菌慢慢膨胀的海洋。
目前，美国的某人死于抗生素的细菌或真菌每15分钟一次年死亡人数达到3.5万人。在全球范围内，联合国的报告令人难以置信每年70万人从感染的抗生素不再能抵抗死亡。报告警告说，这一数字到2050年达到1000万，如果我们没有发现对我们的细菌的敌人替代疗法。
我们是如何得出这种对人类存在的威胁的?不管我们喜不喜欢，这就是进化的过程。在20世纪，我们发明了强大的抗生素，在细菌杀死我们之前就摧毁了它们。作为回应，这些虫子也进化了。它们学会了制造化学物质来转移我们的抗生素，这样它们就可以继续繁殖。我们以为凭借高超的制药技术，我们可以超越细菌的进化，但细菌打败了我们，增强了它们的防御能力。我们无法对抗进化。
或者我们可以吗？
大卫麦卡锡，谁研究进化和人口遗传学冷泉港实验室的研究员，认为我们可以预测。作为一名计算生物学家，麦坎德利什利用数学和统计学技术来研究生物体，目标是建立它们如何进化的预测模型。麦坎德利什相信，利用细菌如何产生耐药性的遗传和生物学机制的知识，可以帮助我们预测它们在未来对我们的药物的反应。麦坎德利什说:“如果有一种微生物我们有药物来对抗，一种抗生素或抗微生物，我们想要预测它将进化出耐药性的特定突变序列。”“所以，是的，我们希望能够预测进化。”
McCandlish的方法在于所谓的自适应景观的概念 - 一个看起来像山顶和山谷的有机体演变的想法。自适应景观模型视图演变为爬山过程，其中具有获胜的遗传性状或最高遗传健身 - 将升至峰值，而具有较差的遗传学的群体将留在峰之间的山谷中。图案上，这些适应性景观，有时称为健身景观，看起来像山脉。在这些图表中，水平轴描绘了生物体的一个或多个基因，并且垂直的基因描绘了生物体的遗传健康。更幸运的人群幸运地爬到峰值。那些得到“坏”突变的人，将它们称重在山谷中。
当涉及对人类致病的细菌种类时，那些爬到峰值的人对我们来说是坏消息，特别是如果上升是由于它们的耐药能力。如果一个人可以描绘使用适应性景观的一些最致命的超级素，耐毛细素抗性金黄色葡萄球菌或MRSA，每年索赔接近20,000人在美国，可能是其中一个山峰。那么是多药抗性结核病，导致全球23万人死亡。我们宁愿更愿意看到他们在山谷煎熬。
适应性景观如何帮助我们预测下一个潜在的超级率可能会如何发展？为了回答这个问题，科学家首先需要了解在细菌中促进抗生素抗性的细胞，分子和遗传力。他们还必须了解我们如何抵达现在的抗生素时代，这在盛大的进化规模上，在这里匆忙。
W.母鸡亚历山大·弗莱明在1928年首次发现青霉素，这导致了在20世纪40年代而广泛使用的第一个抗生素的创造，人类对细菌具有进化的优势。在对我们的器官，组织和尸体上造成严重破坏之前，我们可以轻松能够高效地杀死许多细菌种类。但在随后的几年里，我们可能与我们的抗菌盔甲有点过于过量，我们用太多了。医生在没有必要时向患者开放抗生素。清洁产品制造商将抗微生物化合物放入肥皂和洗碗液中。工业农民混合抗生素进入动物的饲料，不仅是因为它有助于对抗感染，而且因为它使它们变得更加糟糕，这被视为积极的副作用。
因此，一定量的抗生素冲出或者逃进污水，滴进水和土壤，那里生活着大量的细菌。结果，数以百万计的突变体死亡，除了一些幸存下来的突变体，因为它们幸运地拥有略微不同的基因组合，使它们能够发展出特殊的细胞防御。因为不幸的细菌已经死亡，这些幸运的突变体继续生长，复制并传递耐抗生素的基因。
我们认为我们可以通过制药技巧外出细菌演变。但细菌击败了我们。
佐治亚州立大学分子遗传学和生物化学教授Parjit Kaur说:“当你给细菌种群施加压力时，比如抗生素，就会发生这种情况。最近的论文检查微生物耐药机制。“可能存在随机突变体，现在可以承受抗生素，或者可以存在自发突变。然后抗性细菌成为主导人群。“
抗生素基本上是细菌的毒药。一旦抗生素分子进入细菌细胞，它们会损坏或破坏细胞，或干扰细胞的复制。在任何一种情况下，细菌种群最终都会死亡。为了生存，在摧毁细胞之前，虫子必须弹出抗生素分子或拆除它们。
不同的菌种不同打抗生素，说明考尔。一些发生变异的基因产生特异性外排蛋白质“保驾护航”的擅抗生素分子出来，尽快为他们进入细胞。这听起来像一个复杂的防御，但它不是一个新的概念。生物依靠所谓的转运蛋白来进出细胞的物质带来的。通常情况下，这些转移蛋白迎来营养物质喷涌出废物质。有些病菌只是进化的基因产生新的转运蛋白是揪出毒抗生素分子。“抗生素是有毒物质，而这些特别的蛋白质泵他们的权利了，”考尔说。他们继续生活和复制。
其他类型的细菌具有双层细胞膜-内层和外层。在这两者之间的空间称为周质，而这也正是这些病菌演绎他们的防守抗生素。这些细菌产生抗生素裂解酶工作作为分子剪刀，其被释放到并保持在周质空间内。一旦进入抗生素，这些酶切丝它们变成分子碎片的堆。酶机理并不优越新颖任一。细菌利用酶作为它们的细胞“看家”的一部分，以削减其他物质，考尔解释说，所以它可能是一些看家酶被招募，并发展成“抗生素的战士。”
细菌还可以彼此获得抗生素抗性基因，并且它们具有多种方式进行。在某些条件下，有些条件可以从DNA被倾倒在环境中的死亡细菌中取出这些基因。其他人可以从渗透微生物细胞的病毒中获取这些基因，但不会杀死它们 - 而是可能带来一些有益的遗传物质对细菌有益。最后，错误可以“交易”他们的基因。两个细菌可以彼此旁边鞍，打开它们的细胞壁并交换遗传物质。将其想象成MRSA依偎在一个普通的Staph旁边，窃窃私语。“PSST！我终于想到了如何踢这个令人讨厌的甲氧西林炸弹。接近，我会分享我的秘密。“然后他们都可以爬到山峰。
m现代基因工具使科学家能够对细胞的基因突变进行实验，并观察它们可能产生的进化优势或缺陷。
“你拿一个错误，把一堆遗传变异，看看他们将如何快速成长，” McCandlish解释。“你把感兴趣的蛋白质，使很多在它不同的突变，然后坚持这些突变序列进入细胞并试种这些细胞。如果该序列效果很好，细胞会不断地在数量增加。如果序列不工作，细胞蹒跚，也许分裂一次，然后死去。”
科学家正在学习预测促进细菌抗生素抗性的细胞和遗传力。
科学家们可以确定每一种变异的生长速度，以及这些变异对细胞生长的影响。然后他们可以确定这些突变是否具有进化优势。一些突变可能会彻底消灭整个种群，而另一些突变可能会赋予它超能力。这种方法的一大优点是它的多功能性——同样的概念可以用来预测任何细胞的进化——不仅是微生物，还有肿瘤。
科学家已经尝试了这种组合或突变序列，因为他们称之为。McCandlish引用最近的一项研究，研究人员将各种突变序列插入酵母细胞并测量其生长速率。他指出，酵母细胞具有最大突变的酵母细胞，但它不一定是偶尔的组合可能就像致命一样。通过注意到哪种突变序列给予有机体优秀的优势，您可以预测哪些将成长并占用。
McCandlish的预测算法依赖于这些数据和学习的研究。这些算法的信息越多 - 特别是关于细菌或真菌等致病生物 - 更精确和有意义的预测。酵母是一个很好的操场，但是一个人可以做类似的实验，了解耐药物如何在细菌中发展，并且看到哪些突变序列能够更好地对抗抗生素。
“让我们说我们已经开发了一种新的抗生素，”麦卡特里克说。“现在我们希望能够预测先前演进的酶如何降解最后一代抗生素，改变以降低新的酶？或者也许它不会。“了解哪些基因可能产生抗性酶或蛋白质可以让制药公司在虫子前一步。
具有准确的阻力预测可能会缓解开发新的抗生素的压力。该模型可能预测细菌A可以产生对抗生素X的抗性，并且后来抗生素Y，后来的抗生素Z.但是对Y和Z的最后两轮适应可能会使病原体对抗抗生素X的防御或完全禁用它们。这意味着特定的细菌现在将再次易于抗生素x，并且不得不制定新的胚胎来对抗它。
准确的预测可以让医疗学治疗或培养细胞的演变 - 致病微生物或癌症的进化。如果我们了解特定细胞如何在其健身景观上发展，我们可以设计药物治疗策略。“如果我们知道一种特定的药物会推动细菌种群，通过这些峰的一个或另一个，可能通过应用第二种药物，我们可以选择它发展的方式，”McCandlish说。“或者我们可以尝试推动错误以发展到我们知道我们有第二种药物的峰值峰值。这就像设置陷阱。“
虽然这些药物陷阱可能不会在你的明天附近药剂师提供，总的预测模型可能帮助我们获得对微生物的进化竞赛在2050年避免了可怕的1000名多万人死亡。一旦模型工作了一条腿，他们会恢复我们在病原体的进化优势。超级病菌也会继续攀升进化峰。但是，我们将在那里等待他们的，我们在准备抗生素装甲。
丽娜泽利多维奇在一个家庭俄罗斯科学家的长大，听睡前约火山，黑洞和无畏的探险故事。她写了纽约时报，科学的美国人，读者的摘要，和Audubon杂志，等出版物，并荣获四项大奖覆盖船尾的科学。她的书，在其他暗物质：变废为宝的科学和商业，将在2021年10月由芝加哥大学出版社发行。你可以找到她linazeldovich.com.和@LinaZeldovich。
冷泉港实验室对本文的支持。阅读更多鹦鹉螺频道,生物+超越。
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