¿Qué sucede cuando hay diferentes cepas de bacterias en el mismo sistema? ¿Coexisten? ¿Sobreviven los más fuertes? En un juego microbiano de piedra-papel-tijera, Los investigadores del Instituto BioCircuits de la Universidad de California en San Diego descubrieron una respuesta sorprendente.
Sus hallazgos, titulado "Supervivencia de las interacciones asimétricas no transitivas más débiles entre cepas de E. coli, "apareció en una edición reciente de Comunicaciones de la naturaleza .
El equipo de investigación estuvo formado por el profesor de bioingeniería y biología molecular Jeff Hasty; Michael Liao y Arianna Miano, ambos estudiantes de posgrado en bioingeniería; y Chloe Nguyen, una licenciatura en bioingeniería. Diseñaron tres cepas de E. coli (Escherichia coli) de modo que cada cepa produjo una toxina que podría matar a otra cepa, como un juego de piedra-papel-tijera.
Cuando se le preguntó cómo surgió el experimento, Hasty comentó:"En biología sintética, Los circuitos de genes complejos se caracterizan típicamente en bacterias que crecen en cultivos líquidos bien mezclados. Sin embargo, muchas aplicaciones involucran células que están restringidas para crecer en una superficie. Queríamos comprender el comportamiento de las pequeñas ecologías diseñadas cuando las especies que interactúan crecen en un entorno más cercano a cómo es probable que las bacterias colonicen el cuerpo humano ".
Los investigadores mezclaron las tres poblaciones y las dejaron crecer en un plato durante varias semanas. Cuando volvieron a comprobar, notaron que, en varios experimentos, la misma población se apoderaría de toda la superficie, y no era la más fuerte (la cepa con la toxina más potente).
Curioso por las posibles razones de este resultado, idearon un experimento para desvelar las dinámicas ocultas en juego.
Había dos hipótesis:o la población media (llamada "enemiga del más fuerte" como la cepa que atacaría el más fuerte) ganaría o la población más débil ganaría. Su experimento demostró que, asombrosamente, la segunda hipótesis era cierta:la población más débil se apoderaba sistemáticamente del plato.
Volviendo a la analogía piedra-papel-tijera, si asumimos la cepa "rock" de E. coli tiene la toxina más fuerte, matará rápidamente la tensión de "tijera". Dado que la tensión de tijera fue la única capaz de matar la tensión de "papel", la tensión del papel ahora no tiene enemigos. Es gratis comer la tensión de la roca lentamente durante un período de tiempo, mientras que la tensión de la roca es incapaz de defenderse.
Para entender el mecanismo detrás de este fenómeno, los investigadores también desarrollaron un modelo matemático que podría simular luchas entre las tres poblaciones partiendo de una amplia variedad de patrones y densidades. El modelo pudo mostrar cómo se comportaron las bacterias en múltiples escenarios con patrones espaciales comunes como rayas, racimos aislados y círculos concéntricos.
Solo cuando las deformaciones se distribuyeron inicialmente en el patrón de anillos concéntricos con las más fuertes en el medio, ¿Era posible que la tensión más fuerte se apoderara del plato?
Se estima que los microbios superan en número a las células humanas 10 a 1 en el cuerpo humano y varias enfermedades se han atribuido a desequilibrios dentro de varios microbiomas. Los desequilibrios dentro del microbioma intestinal se han relacionado con varios trastornos metabólicos e inflamatorios, cáncer e incluso depresión.
La capacidad de diseñar ecosistemas equilibrados que puedan coexistir durante largos períodos de tiempo puede permitir nuevas y emocionantes posibilidades para los biólogos sintéticos y nuevos tratamientos sanitarios.
La investigación que está llevando a cabo el grupo de Hasty puede ayudar a sentar las bases para diseñar algún día microbiomas sintéticos saludables que puedan usarse para administrar compuestos activos para tratar diversos trastornos metabólicos o enfermedades y tumores.
La vicerrectora de Investigación Sandra Brown dijo:"La combinación de la biología molecular y la bioningeniería ha permitido un descubrimiento con el potencial de mejorar la salud de las personas en todo el mundo. Este es un descubrimiento que quizás nunca hubiera ocurrido si no estuvieran trabajando en colaboración. Este es otro testimonio del poder de UC San La investigación multidisciplinar de Diego ".
El BioCircuits Institute (BCI) es una unidad de investigación multidisciplinaria que se centra en comprender las propiedades dinámicas de los circuitos reguladores biológicos que abarcan las escalas de la biología, desde módulos reguladores intracelulares hasta dinámica de poblaciones y función de órganos.
BCI busca desarrollar y validar modelos teóricos y computacionales para comprender, predecir, y controlar funciones biológicas complejas. El instituto está compuesto por más de 50 profesores de UC San Diego y otras instituciones locales, incluyendo Scripps Research, el Instituto Salk, y el Instituto de Investigación Médica Sanford-Burnham.
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