Forschung eröffnet Möglichkeiten, die Komplexität mikrobieller Gemeinschaften zu entschlüsseln

"Mikrobielle Gemeinschaften regieren die Welt, " sagt Jo Handelsmann, Direktor des Wisconsin Institute for Discovery an der University of Wisconsin-Madison.

"Die Leute lachen immer, wenn ich das sage, " fügt sie hinzu. "Aber es ist wahr."

Unser umfassendes neues Verständnis der mikrobiellen Gemeinschaften und ihres Einflusses auf die menschliche Gesundheit oder die Pflanzenproduktivität hat zu dem Traum geführt, diese Gemeinschaften zu verändern, um Vorteile zu erzielen. Auf der Suche nach diesem Traum, Millionen Amerikaner nehmen jetzt Probiotika, nützliche Mikroben, von denen sie hoffen, dass sie ihren Darm verbessern.

Aber die immense Komplexität und Widerstandsfähigkeit dieser Mikrobiome lässt die Forscher unsicher, wie sie vorhersehbare und dauerhafte Veränderungen zum Besseren herbeiführen können.

Neue Forschungen von Handelsman und ihren Mitarbeitern befassen sich direkt mit dieser Komplexität. Das Team entwickelte eine Community namens THOR, drei Bakterienarten, die aus Sojabohnenwurzeln isoliert und zusammengewachsen sind. Die komplexe Gemeinschaft von Mikroben entwickelte gemeinsam neue Verhaltensweisen, die von den einzelnen Mitgliedern allein nicht vorhergesagt werden konnten – sie entwickelten härtere Strukturen, die als Biofilme bekannt sind, veränderten, wie sie sich in ihrer Umgebung bewegten, und kontrollierte die Freisetzung eines neuartigen Antibiotikums.

Jedes der drei Mitglieder von THOR hat ein sequenziertes Genom, und eine Reihe von Werkzeugen stehen zur Verfügung, um die Bakterien isoliert und zusammen zu untersuchen, was Möglichkeiten eröffnet, die Komplexität mikrobieller Gemeinschaften wie THOR und andere zu entwirren. Ein besseres Verständnis dieser Mikrobiome könnte Wissenschaftlern helfen, herauszufinden, wie sie verbessert werden können.

Die Arbeit wird am 5. März in der Zeitschrift veröffentlicht mBio . Die Arbeit wurde von Handelsman Lab Postdoc-Forscher Gabriel Lozano mit Mitarbeitern des UW-Madison Department of Plant Pathology, Yale University und andere Institutionen.

Der donnernde Name THOR stammt von den Mitgliedern der Community:Die Anhalter der Rhizosphäre. Vor Jahren, Das Labor von Handelsman bemerkte, dass mehrere Bakterien mit auf die Reise kamen, als Mitglieder der gewöhnlichen Bacillus-Bakterien aus dem Mikrobiom von Sojabohnenwurzeln isoliert wurden. als Rhizosphäre bekannt. Diese Tramper zeigten sich erst, wenn Bacillus-Bakterien mehrere Wochen in der Kälte gezüchtet wurden.

Diese engen Verbindungen zwischen verschiedenen Arten legen nahe, dass sie als Modellgemeinschaft dienen könnten, um zu testen, wie komplexe Merkmale entstehen, wenn mehrere Arten denselben Raum teilen. Die Forscher entschieden sich für Arten der Bakteriengruppen Pseudomonas und Flavobacterium, um sie neben Bacillus zu züchten und zu untersuchen.

Kombiniert, die Mitglieder von THOR rühmten sich etwa 15, 000 Gene und waren in der Lage, Tausende von kleinen Molekülen zu produzieren, Schaffung von "Komplexitätsschichten" über Zeit und Raum hinweg, sagt Handelsmann.

Alleine aufgewachsen, das Pseudomonas-Mitglied von THOR einen Biofilm produziert, eine herzhafte Struktur, die die Bakterien vor ihrer Umgebung schützt. Biofilme verkleben medizinische Implantate und machen Bakterien resistent gegen Antibiotika. Als alle drei Mitglieder von THOR zusammengewachsen waren, die Gemeinschaft produzierte doppelt so viel Biofilm und der Biofilm hielt länger als wenn Pseudomonas allein war.

„Selbst wenn ihre Populationen klein sind, diese anderen Arten zünden größere Biofilme, “, sagt Handelsmann.

Auch andere komplexe Eigenschaften traten in THOR auf. Das Bacillus-Mitglied reduzierte die Produktion von Antibiotika, die von Pseudomonas hergestellt wurden, Flavobacterium vor ihren Auswirkungen zu schützen. Und die anderen Mitglieder von THOR veranlassten Bacillus-Kolonien, wie die Äste eines Baumes zu wachsen, sich in komplexen Mustern über und um die anderen Bakterien herum ausbreiten.

Viele Bemühungen, Mikrobiome zu manipulieren, konzentrieren sich auf die Verbesserung der menschlichen Gesundheit, und Modellgemeinschaften wie THOR könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, wie komplexe mikrobielle Beziehungen verändert werden können, um uns zu nützen.

Aber THORs Informationen über das Mikrobiom von Pflanzenwurzeln, die Rhizosphäre, ist genauso wichtig. Die Rhizosphäre hilft, den Boden zusammenzukleben, Erosion zu verhindern. Und Boden bindet dreimal mehr Kohlenstoff als in der Atmosphäre schwimmt. Sie ist damit ein wichtiges Element bei der Bekämpfung des Klimawandels. Zu wissen, wie einzelne Mikroben zusammenkommen, um die Reichen zu produzieren, Das komplexe Verhalten des Bodenmikrobioms kann ein Schlüssel zur Maximierung des Nutzens sein, den wir aus diesen unsichtbaren Gemeinschaften ziehen.

"Es ist eine der kritischsten Beziehungen, die wir haben, “, sagt Handelsmann.

• Routineuntersuchungen und Früherkennung von Darmkrebs können Leben retten
• Impfgegner missbrauchen neue wissenschaftliche Durchbrüche bei nützlichen Mikroben