¿Las bacterias mutan aleatoriamente o mutan con un propósito? Los investigadores han sido desconcertado sobre este enigma durante más de un siglo.
En 1943, el microbiólogo Salvador Luria y el físico convertido en biólogo Max Delbrück inventó un experimento argumentar que las bacterias mutaban sin rumbo fijo. Utilizando su prueba, otros científicos demostraron que las bacterias podían adquirir resistencia a antibióticos que no habían encontrado antes.
El Experimento Luria-Delbrück ha tenido un efecto significativo en la ciencia. Los hallazgos ayudaron a Luria y Delbruck a ganar el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1969y los estudiantes de hoy aprenden este experimento en aulas de biología. He estado estudiando este experimento en mi trabajo como bioestadístico durante más de 20 años.
Décadas más tarde, este experimento ofrece lecciones que aún hoy son relevantes, porque implica que las bacterias pueden desarrollar resistencia a antibióticos que aún no se han desarrollado.
Máquinas tragamonedas y un momento eureka
Imagine un tubo de ensayo que contiene bacterias que viven en un caldo nutritivo. El caldo está turbio debido a la alta concentración de bacterias que contiene. Añadiendo un virus que infecta a las bacterias, también conocido como fago
Sin embargo, mantener el tubo de ensayo en condiciones favorables para el crecimiento bacteriano hará que el caldo se vuelva turbio con el tiempo. Esto indica que las bacterias desarrollaron resistencia contra los fagos y pudieron proliferar.
¿Qué papel jugaron los fagos en este cambio?
Algunos científicos pensaron que los fagos incitaban a las bacterias a mutar para sobrevivir. Otros sugirieron que las bacterias rutinariamente mutan al azar y que el desarrollo de variantes resistentes a fagos era simplemente un resultado afortunado. Luria y Delbrück habían estado trabajando juntos durante meses para resolver este enigma, pero ninguno de sus experimentos había tenido éxito.
En la noche del 16 de enero de 1943, Luria recibió una pista sobre cómo resolver el misterio mientras veía a un colega ganar el premio mayor en una máquina tragamonedas. A la mañana siguiente, corrió a su laboratorio.
El experimento de Luria consistió en unos pocos tubos y platos. Cada tubo contenía caldo nutritivo que ayudaría a las bacterias. E. coli multiplicarse, mientras que cada plato contenía material recubierto con fagos.
Se colocaron algunas bacterias en cada tubo y se les dio dos oportunidades para generar variantes resistentes a fagos. Podrían mutar en los tubos en ausencia de fagos o podrían mutar en las placas en presencia de fagos.
Al día siguiente, Luria transfirió las bacterias de cada tubo a un plato lleno de fagos. Al día siguiente, contó el número de colonias de bacterias resistentes en cada placa.
Si las bacterias desarrollan resistencia contra los fagos al interactuar con ellos, ninguna de las bacterias en los tubos debería tener mutaciones. Por otro lado, sólo unas pocas bacterias (digamos, 1 de cada 10 millones de bacterias) deberían generar variantes resistentes cuando se transfieren a una placa que contiene fagos. Cada variante resistente a los fagos crecería hasta convertirse en una colonia, pero las bacterias restantes morirían a causa de la infección.
Si las bacterias desarrollan resistencia independientemente de la interacción con los fagos, algunas de las bacterias en los tubos tendrán mutaciones. Esto se debe a que cada vez que una bacteria se divide en un tubo, tiene una pequeña probabilidad de generar una variante resistente.
Si la generación inicial de bacterias es la primera en mutar, al menos la mitad de las bacterias serán resistentes en generaciones posteriores. Si una bacteria de la segunda generación es la primera en mutar, al menos una octava parte de las bacterias serán resistentes en generaciones posteriores.
Al igual que los retiros de pequeños premios en las máquinas tragamonedas, las mutaciones de última generación ocurren con más frecuencia pero dan lugar a menos variantes resistentes. Al igual que los premios mayores, las mutaciones de las primeras generaciones ocurren raramente, pero dan lugar a un gran número de variantes. Las mutaciones de generación temprana son raras porque al principio solo hay una pequeña cantidad de bacterias disponibles para mutar.
Por ejemplo, en un experimento de 20 generaciones, una mutación que se produzca en la décima generación de bacterias daría 1.024 variantes resistentes a fagos. Una mutación que se produzca en la generación 17 daría sólo cuatro variantes resistentes a fagos.
El número de colonias resistentes en los experimentos de Luria mostró un patrón similar al de los retiros de efectivo en las máquinas tragamonedas. La mayoría de los platos contenían pocas colonias mutantes o ninguna, pero varios contenían una gran cantidad de colonias mutantes que Luria consideraba premios gordos. Esto significó que las bacterias desarrollaron variantes resistentes antes de interactuar con los fagos en los platos.
El legado de un experimento
Luria envió una nota a Delbrück después de completar su experimento, pidiéndole que verificara su trabajo. Luego, los dos científicos trabajaron juntos para escribir un papel clásico describiendo el protocolo experimental y un marco teórico para medir las tasas de mutación bacteriana.
Otros científicos realizaron experimentos similares reemplazando fagos. con penicilina y con medicamentos para la tuberculosis. Del mismo modo, descubrieron que las bacterias no necesitaban encontrarse con un antibiótico para adquirir resistencia a él.
Las bacterias han dependido de mutaciones aleatorias para hacer frente a entornos hostiles y en constante cambio durante millones de años. Sus incesantes y aleatorias mutaciones les llevarán inevitablemente a desarrollar variantes resistentes a los antibióticos del futuro.
La resistencia a los medicamentos es una realidad de la vida que tendremos que aceptar y contra la cual seguir luchando.
Qi ZhengProfesor de Bioestadística, Universidad Texas A & M
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