Uusi malli osoittaa, kuinka bakteerit käyttäytyvät useissa skenaarioissa, joissa on yhteiset paikkamallit

Bakteereja on kaikkialla ympärillämme; ei pelkästään kylpyhuoneissa tai keittiöpöydissä, mutta myös kehomme sisällä, myös kasvaimissa, jossa mikrobiota kukoistaa usein. Näillä "pienillä ekologioilla" voi olla avain syöpälääkkeisiin, ja niiden oppiminen voi auttaa kehittämään uusia hengenpelastavia hoitoja.

Mitä tapahtuu, kun samassa järjestelmässä on erilaisia ​​bakteerikantoja? Ovatko ne rinnakkain? Selviävätkö vahvimmat? Kivi-paperisaksien mikrobipelissä San Diegon Kalifornian yliopiston BioCircuits -instituutin tutkijat löysivät yllättävän vastauksen.

Heidän havaintonsa, nimeltään "Heikoimpien selviytyminen ei-transitiivisissa epäsymmetrisissä vuorovaikutuksissa E. coli -kantojen välillä, "ilmestyi viimeisimmässä numerossa Luonnonviestintä .

Tutkimusryhmään kuuluivat biotekniikan ja molekyylibiologian professori Jeff Hasty; Michael Liao ja Arianna Miano, molemmat biotekniikan jatko -opiskelijat; ja Chloe Nguyen, biotekniikan perustutkinto. He suunnittelivat kolme kantaa E. coli (Escherichia coli) niin että jokainen kanta tuotti toksiinin, joka voisi tappaa toisen kannan, aivan kuin kivi-paperi-sakset.

Kun kysyttiin, miten kokeilu tapahtui, Hasty kommentoi, "Synteettisessä biologiassa, monimutkaisille geenipiireille on tyypillisesti ominaista bakteerit, jotka kasvavat hyvin sekoitetuissa nesteviljelmissä. Kuitenkin, monet sovellukset sisältävät soluja, joiden kasvua on rajoitettu pinnalle. Halusimme ymmärtää pienten tekniikoiden käyttäytymisen, kun vuorovaikutuksessa olevat lajit kasvavat ympäristössä, joka on lähempänä sitä, miten bakteerit todennäköisesti asuttavat ihmiskehon. "

Tutkijat sekoittivat kolme populaatiota yhteen ja antoivat niiden kasvaa lautasella useita viikkoja. Kun he tarkistivat takaisin, he huomasivat, että useiden kokeiden kautta, sama populaatio ottaisi koko pinnan; eikä se ollut vahvin (kanta, jolla oli voimakkain myrkky).

Utelias mahdollisista syistä tähän tulokseen, he suunnittelivat kokeilun paljastaakseen piilotetun dynamiikan.

Hypoteeseja oli kaksi:joko keskikokoinen väestö (jota kutsutaan "vahvimpien viholliseksi", vahvimman hyökkäyksen kohteena) voittaa tai heikoin väestö voittaa. Heidän kokeensa osoittivat, yllättävän, toinen hypoteesi oli totta:heikoin väestö otti jatkuvasti levyn haltuunsa.

Palatakseni kalliopaperin ja saksin analogiaan, jos oletamme "rock" -kantaa E. coli sisältää vahvimman toksiinin, se tappaa nopeasti "sakset". Koska saksikanta oli ainoa, joka pystyi tappamaan "paperikannan", paperikannalla ei ole nyt vihollisia. Se on vapaa syömään kalliokantaa hitaasti tietyn ajan kuluessa, kun kallio ei pysty puolustamaan itseään.

Tämän ilmiön taustalla olevan mekanismin ymmärtämiseksi tutkijat kehittivät myös matemaattisen mallin, joka voisi simuloida taisteluja kolmen populaation välillä aloittamalla monenlaisista kuvioista ja tiheyksistä. Malli pystyi osoittamaan, kuinka bakteerit käyttäytyivät useissa skenaarioissa, joissa oli yhteisiä tilakuvioita, kuten raitoja, yksittäisiä klustereita ja samankeskisiä ympyröitä.

Vasta kun kannat alun perin jakautuivat samankeskisten renkaiden kuvioon, vahvin keskellä, oliko mahdollista, että vahvin kanta otti levyn haltuunsa?

On arvioitu, että mikrobit ylittävät ihmisen solut 10 - 1 ihmiskehossa ja useat sairaudet ovat johtuneet eri mikrobiomien epätasapainosta. Suoliston mikrobiomin epätasapaino on yhdistetty useisiin metabolisiin ja tulehduksellisiin häiriöihin, syöpä ja jopa masennus.

Kyky suunnitella tasapainoisia ekosysteemejä, jotka voivat esiintyä rinnakkain pitkään, voi tarjota uusia jännittäviä mahdollisuuksia synteettisille biologille ja uusia terveydenhuollon hoitoja.

Hastyn ryhmän tekemä tutkimus voi auttaa luomaan perustan jonain päivänä terveiden synteettisten mikrobiomien suunnittelulle, joita voidaan käyttää aktiivisten yhdisteiden toimittamiseen erilaisten metabolisten häiriöiden tai sairauksien ja kasvainten hoitoon.

Tutkimuksen varakansleri Sandra Brown sanoi:"Molekyylibiologian ja bionengineeringin yhdistäminen on mahdollistanut löytöjä, jotka voivat parantaa ihmisten terveyttä ympäri maailmaa. Tämä on löytö, jota ei ehkä ole koskaan tapahtunut, jos he eivät toimineet yhteistyössä. Tämä on toinen osoitus UC Sanin voimasta Diegon monitieteinen tutkimus. "

BioCircuits Institute (BCI) on monitieteinen tutkimusyksikkö, joka keskittyy ymmärtämään biologian asteikkojen kattavien biologisten säätelypiirien dynaamisia ominaisuuksia, solunsisäisistä säätelymoduuleista populaation dynamiikkaan ja elintoimintoihin.

BCI pyrkii kehittämään ja validoimaan teoreettisia ja laskennallisia malleja ymmärtääkseen, ennustaa, ja hallita monimutkaisia ​​biologisia toimintoja. Instituuttiin kuuluu yli 50 tiedekuntaa UC San Diegosta ja muista paikallisista instituutioista, mukaan lukien Scripps Research, Salk -instituutti, ja Sanford-Burnhamin lääketieteellinen tutkimuslaitos.

• Tutkijat määrittelevät keskeiset tekijät, joilla varmistetaan onnistunut ulosteen mikrobiota -elinsiirto
• Suun mikrobiston modulaatio vaikuttaa urheilun sydän- ja verisuonitautiin