Neues Modell zeigt, wie sich Bakterien in mehreren Szenarien mit gemeinsamen räumlichen Mustern verhalten

Bakterien sind überall um uns herum; nicht nur in Badezimmern oder Küchentheken, aber auch in unserem Körper, auch bei Tumoren, wo Mikrobiota oft gedeihen. Diese „kleinen Ökologien“ können den Schlüssel zu medikamentösen Krebstherapien darstellen, und mehr darüber zu erfahren, kann helfen, neue lebensrettende Behandlungen zu entwickeln.

Was passiert, wenn verschiedene Bakterienstämme im selben System vorhanden sind? Existieren sie nebeneinander? Überleben die Stärksten? In einem mikrobiellen Spiel Stein-Papier-Schere, Forscher des BioCircuits Institute der University of California San Diego fanden eine überraschende Antwort.

Ihre Erkenntnisse, mit dem Titel "Überleben der Schwächsten in nicht-transitiven asymmetrischen Wechselwirkungen zwischen Stämmen von E. coli, “ erschien in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Naturkommunikation .

Das Forschungsteam bestand aus Professor für Bioengineering und Molekularbiologie Jeff Hasty; Michael Liao und Arianna Miano, beide Absolventen des Bioingenieurwesens; und Chloe Nguyen, ein Bioingenieurstudium. Sie entwickelten drei Stämme von E. coli (Escherichia coli) so dass jeder Stamm ein Toxin produziert, das einen anderen Stamm töten kann, genau wie ein Stein-Papier-Schere-Spiel.

Auf die Frage, wie es zu dem Experiment kam, Hastig kommentierte, „In der synthetischen Biologie Komplexe Genkreisläufe werden typischerweise in Bakterien charakterisiert, die in gut gemischten Flüssigkulturen wachsen. Jedoch, viele Anwendungen beinhalten Zellen, die darauf beschränkt sind, auf einer Oberfläche zu wachsen. Wir wollten das Verhalten kleiner künstlicher Ökologien verstehen, wenn die interagierenden Arten in einer Umgebung wachsen, die näher an der Wahrscheinlichkeit ist, wie Bakterien den menschlichen Körper besiedeln."

Die Forscher mischten die drei Populationen zusammen und ließen sie mehrere Wochen auf einer Schale wachsen. Als sie nachschauten, bemerkten sie, dass in mehreren Experimenten, dieselbe Population würde die gesamte Oberfläche einnehmen – und es war nicht die stärkste (die Sorte mit dem stärksten Toxin).

Neugierig auf die möglichen Gründe für dieses Ergebnis, Sie haben ein Experiment entwickelt, um die verborgene Dynamik im Spiel zu enthüllen.

Es gab zwei Hypothesen:Entweder würde die mittlere Population (genannt "der Feind des Stärksten" als die Sorte, die die Stärksten angreifen würden) gewinnen oder die schwächste Population würde gewinnen. Ihr Experiment zeigte, dass überraschenderweise, die zweite Hypothese war wahr:Die schwächste Bevölkerung übernahm konsequent die Platte.

Zurück zur Stein-Papier-Schere-Analogie, wenn wir die "Rock" -Belastung von annehmen E coli hat das stärkste Gift, es wird die "Scheren"-Sorte schnell töten. Da der Scherenstamm als einziger in der Lage war, den "Papier"-Stamm abzutöten, die Papiersorte hat jetzt keine Feinde mehr. Es ist kostenlos, die Gesteinssorte über einen bestimmten Zeitraum hinweg langsam zu zerfressen, während die Gesteinssorte sich nicht verteidigen kann.

Um den Mechanismus hinter diesem Phänomen zu verstehen, Die Forscher entwickelten auch ein mathematisches Modell, das Kämpfe zwischen den drei Populationen simulieren konnte, indem sie von einer Vielzahl von Mustern und Dichten ausgingen. Das Modell konnte zeigen, wie sich die Bakterien in mehreren Szenarien mit gemeinsamen räumlichen Mustern wie Streifen, isolierte Cluster und konzentrische Kreise.

Nur wenn die Dehnungen zunächst im Muster konzentrischer Ringe mit den stärksten in der Mitte verteilt waren, konnte die stärkste Belastung die Platte übernehmen.

Es wird geschätzt, dass die Zahl der Mikroben im menschlichen Körper 10 zu 1 übertrifft, und mehrere Krankheiten wurden auf ein Ungleichgewicht innerhalb verschiedener Mikrobiome zurückgeführt. Ungleichgewichte im Darmmikrobiom wurden mit mehreren Stoffwechsel- und Entzündungserkrankungen in Verbindung gebracht. Krebs und sogar Depressionen.

Die Fähigkeit, ausgewogene Ökosysteme zu entwickeln, die über lange Zeiträume koexistieren können, kann synthetischen Biologen aufregende neue Möglichkeiten und neue Behandlungen im Gesundheitswesen eröffnen.

Die Forschung, die Hastys Gruppe durchführt, könnte dazu beitragen, eines Tages gesunde synthetische Mikrobiome zu entwickeln, die verwendet werden können, um Wirkstoffe zur Behandlung verschiedener Stoffwechselstörungen oder Krankheiten und Tumoren zu liefern.

Vizekanzlerin für Forschung Sandra Brown sagte:„Die Zusammenführung von Molekularbiologie und Bionengineering hat Entdeckungen ermöglicht, die das Potenzial haben, die Gesundheit von Menschen auf der ganzen Welt zu verbessern. Dies ist eine Entdeckung, die ohne ihre Zusammenarbeit vielleicht nie stattgefunden hätte. Dies ist ein weiterer Beweis für die Leistungsfähigkeit der UC San Diegos multidisziplinäre Forschung."

Das BioCircuits Institute (BCI) ist eine multidisziplinäre Forschungseinheit, die sich auf das Verständnis der dynamischen Eigenschaften biologischer Regelkreise konzentriert, die die Skalen der Biologie, von intrazellulären Regulationsmodulen bis hin zu Populationsdynamik und Organfunktion.

BCI ist bestrebt, theoretische und computergestützte Modelle zu entwickeln und zu validieren, um zu verstehen, Vorhersagen, und steuern komplexe biologische Funktionen. Das Institut besteht aus über 50 Fakultäten der UC San Diego und anderer lokaler Institutionen, einschließlich Scripps-Forschung, das Salk-Institut, und das Sanford-Burnham Medical Research Institute.

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