המחקר עוקב אחרי תהליכי האבולוציה של חיידקים החשופים לאנטיביוטיקה בעזרת גישה פיזיקאלית לבעיות ביולוגיות ומגלה כיצד חיידקים נאבקים בתרופה

האנטיביוטיקה שינתה את פניה של הרפואה המודרנית, אולם היעילות שלה מאוימת על ידי יכולתם ההולכת וגוברת של חיידקים להתמודד איתה. השימוש הנרחב באנטיביוטיקה מעודד תהליכים אבולוציוניים בחיידקים, במהלכם הם מפתחים אסטרטגיות התמודדות עם תרופות אלה. השינויים האבולוציוניים עלולים להוביל לעמידות מלאה של החיידקים לתרופה אנטיביוטית מסוימת, או להפחתת היעילות של תרופות אנטיביוטיות.

חוקרים מהמכון לפיזיקה באוניברסיטה העברית עקבו אחרי התהליך האבולוציוני שעברו חיידקים שנחשפו לריכוזים גבוהים של אנטיביוטיקה. החוקרים מצאו כי החיידקים שרדו הודות למוטציות גנטיות, שהלכו והתקבעו באוכלוסייה במשך הזמן. מוטציות אלה אפשרו לחיידקים לפתח “מנגנון השהייה” המעכב את התחלת גדילתם לזמן מסוים, ובכך מגביר את עמידותם לתרופה. לאור התוצאות, פיתחו החוקרים מודל מתמטי של התהליך: המודל הוביל אותם להשערה כי מתן האנטיביוטיקה בתדירות קבועה, מאפשר לחיידקים “לחזות” את הופעת התרופה, ולהשהות את גדילתם לפרק הזמן הנדרש כדי לשרוד.

המחקר בוצע במעבדתה של פרופ’ נטלי בלבן במכון רקח לפיזיקה בפקולטה למדעי הטבע של האוניברסיטה העברית, על ידי הדוקטורנט עפר פרידמן ובשיתוף עם חוקרים ממכון ברוד בהרווארד וב-MIT. המחקר התפרסם בכתב העת Nature.

כדי לבדוק את השערתם, החוקרים חשפו מדי יום אוכלוסייה של חיידקים לאנטיביוטיקה למשך שלוש שעות. כבר לאחר עשרה ימים הם נוכחו כי החיידקים משתמשים בטקטיקת הישרדות חדשה: כתוצאה מהחשיפה למחזורים חוזרים ונשנים של טיפולים אנטיביוטיים, החיידקים פיתחו “דפוס השהייה” שגרם לעצירת גידולם במשך חשיפתם לתרופה. האנטיביוטיקה בה השתמשו החוקרים תוקפת את החיידקים במהלך גידולם, ולכן עצירת הגידול התבררה כאסטרטגיה יעילה ביותר.

התוצאות הראו כי החיידקים יכולים לפתח סבילות (tolerance) בתוך ימים ספורים. זו הפעם הראשונה שמחקר מראה כי חיידקים יכולים לפתח מנגנון להשהיית הגדילה, במטרה לשרוד חשיפה לאנטיביוטיקה.

כדי לבדוק את השערתם, החוקרים בחנו שלוש אוכלוסיות חיידקים נפרדות, וחשפו אותן לאנטיביוטיקה מדי יום במשך פרקי זמן שונים, של 3, 5 או 8 שעות. למרבה הפלא, כל אחת מהאוכלוסיות התאימה את עצמה על ידי הארכת ההשהיה בהתאם למשך החשיפה לאנטיביוטיקה.

הבנה זו של הדרך שבה החיידקים מסתגלים לטיפולים אנטיביוטיים עשויה לסייע למדענים לשפר את הטיפולים האנטיביוטיים בעתיד.

בשלב הבא, לאחר שזיהו את המוטציה האחראית למנגנון ההשהיה של החיידקים, החוקרים מעוניינים לאסוף נתונים קליניים כדי לבדוק אם המנגנון הזה פעיל גם אצל אנשים שמטופלים באנטיביוטיקה. הניסוי עשוי להשפיע על הדרך שבה רופאים יטפלו באמצעות אנטיביוטיקה – למשל, שינוי התדירות שבה ניתנת התרופה. המנגנון שהתגלה עשוי גם להסביר את כישלונם של טיפולים אנטיביוטיים במספר מחלות. בעתיד, עשויה התגלית להוביל לפיתוח ולשימוש בתרופות ששומרות על רמות ריכוז קבועות בגוף.