nature communications｜细菌运动性调控抗生素耐药性的进化动力学

抗生素浓度的空间异质性通常被认为会促进耐药性进化，但现有理论模型与实验研究通常忽略了细菌运动能力对其适应过程的影响。2023年9月，剑桥大学Vit Piskovsky、Nuno M. Oliveira在nature communications上发表了题目为Bacterial motility can govern the dynamics of antibiotic resistance evolution的研究成果。研究构建了一个量化模型以探究细菌在抗生素环境中的进化动态，该模型整合了细菌增殖、死亡、突变及迁移等随机过程。数值模拟与理论分析表明：细胞运动性通过调节基因型混合程度与生态竞争强度，双向影响细菌的适应速率——既可能加速亦可能延缓进化进程。此外，研究发现，当运动速率超过特定阈值时，细菌的存活反而受到抑制，并据此推导出不同运动状态间的相变条件。在更复杂的生物场景中，包括细菌的化学趋向性行为、随机性表型转换及密度依赖的运动模式切换，均观察到类似规律。研究系统揭示了细胞运动性对细菌在抗生素环境中适应能力的关键制约作用。

图1 理论模型框架及其基础进化动力学

图2 细菌运动性对适应抗生素速率的双向调控作用

图3 运动表型随机切换对抗生素适应性的影响

图4 密度依赖型运动对细菌适应性的影响

图5 细胞运动性是限制细菌在沉降类生态环境中存活的制约因子

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41196-8。