Un nouveau modèle montre comment les bactéries se comportent dans plusieurs scénarios avec des modèles spatiaux communs

Les bactéries sont partout autour de nous-; pas seulement dans les salles de bains ou les comptoirs de cuisine, mais aussi à l'intérieur de nos corps, y compris dans les tumeurs, où le microbiote s'épanouit souvent. Ces « petites écologies » peuvent détenir la clé des thérapies médicamenteuses contre le cancer et en apprendre davantage à leur sujet peut aider à développer de nouveaux traitements qui sauvent des vies.

Que se passe-t-il lorsque différentes souches de bactéries sont présentes dans le même système ? Coexistent-ils ? Les plus forts survivent-ils ? Dans un jeu microbien de pierre-papier-ciseaux, Des chercheurs du BioCircuits Institute de l'Université de Californie à San Diego ont découvert une réponse surprenante.

Leurs découvertes, intitulé « Survie des plus faibles dans les interactions asymétriques non transitives entre les souches d'E. coli, " paru dans une édition récente de Communication Nature .

L'équipe de recherche était composée du professeur de bio-ingénierie et de biologie moléculaire Jeff Hasty; Michael Liao et Arianna Miano, les deux étudiants diplômés en bio-ingénierie; et Chloé Nguyen, un premier cycle en bio-ingénierie. Ils ont conçu trois souches de E. coli (Escherichia coli) de sorte que chaque souche produise une toxine qui pourrait tuer une autre souche, tout comme un jeu de pierre-papier-ciseaux.

Lorsqu'on lui a demandé comment s'est déroulée l'expérience, Hâte a commenté, « En biologie synthétique, les circuits géniques complexes sont généralement caractérisés dans les bactéries qui se développent dans des cultures liquides bien mélangées. Cependant, de nombreuses applications impliquent des cellules qui sont limitées à se développer sur une surface. Nous voulions comprendre le comportement des petites écologies artificielles lorsque les espèces en interaction se développent dans un environnement plus proche de la façon dont les bactéries sont susceptibles de coloniser le corps humain. »

Les chercheurs ont mélangé les trois populations et les ont laissées pousser sur un plat pendant plusieurs semaines. Lorsqu'ils ont vérifié, ils ont remarqué que, à travers plusieurs expériences, la même population envahirait toute la surface - et ce n'était pas la plus forte (la souche avec la toxine la plus puissante).

Curieux de connaître les raisons possibles de ce résultat, ils ont conçu une expérience pour dévoiler la dynamique cachée en jeu.

Il y avait deux hypothèses :soit la population moyenne (appelée "l'ennemi du plus fort" comme la souche que le plus fort attaquerait) gagnerait, soit la population la plus faible gagnerait. Leur expérience a montré que, étonnamment, la deuxième hypothèse était vraie :la population la plus faible s'emparait systématiquement de l'assiette.

Pour en revenir à l'analogie pierre-papier-ciseaux, si nous supposons la souche "rock" de E. coli a la toxine la plus forte, il tuera rapidement la souche "ciseaux". Puisque la souche en ciseaux était la seule capable de tuer la souche "papier", la souche de papier n'a plus d'ennemis. Il est libre de ronger lentement la souche de roche sur une période de temps, tandis que la souche rocheuse est incapable de se défendre.

Pour comprendre le mécanisme derrière ce phénomène, les chercheurs ont également développé un modèle mathématique qui pourrait simuler des combats entre les trois populations en partant d'une grande variété de modèles et de densités. Le modèle a pu montrer comment les bactéries se comportaient dans plusieurs scénarios avec des motifs spatiaux communs tels que des rayures, amas isolés et cercles concentriques.

Ce n'est que lorsque les contraintes ont été initialement distribuées selon le modèle d'anneaux concentriques avec le plus fort au milieu, était-il possible que la contrainte la plus forte s'empare de l'assiette.

On estime que les microbes sont 10 fois plus nombreux que les cellules humaines dans le corps humain et plusieurs maladies ont été attribuées à des déséquilibres au sein de divers microbiomes. Les déséquilibres dans le microbiome intestinal ont été liés à plusieurs troubles métaboliques et inflammatoires, le cancer et même la dépression.

La capacité de concevoir des écosystèmes équilibrés qui peuvent coexister pendant de longues périodes peut ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour les biologistes synthétiques et de nouveaux traitements de santé.

Les recherches menées par le groupe de Hasty pourraient aider à jeter les bases d'un jour la conception de microbiomes synthétiques sains pouvant être utilisés pour fournir des composés actifs afin de traiter divers troubles ou maladies métaboliques et tumeurs.

La vice-chancelière chargée de la recherche, Sandra Brown, a déclaré :"Le rapprochement de la biologie moléculaire et de la bioingénierie a permis des découvertes susceptibles d'améliorer la santé des personnes dans le monde. C'est une découverte qui n'aurait peut-être jamais eu lieu s'ils ne travaillaient pas en collaboration. C'est un autre témoignage de la puissance de l'UC San la recherche multidisciplinaire de Diego."

Le BioCircuits Institute (BCI) est une unité de recherche pluridisciplinaire qui se concentre sur la compréhension des propriétés dynamiques des circuits de régulation biologique qui s'étendent aux échelles de la biologie, des modules de régulation intracellulaire à la dynamique des populations et au fonctionnement des organes.

BCI cherche à développer et valider des modèles théoriques et informatiques pour comprendre, prédire, et contrôler des fonctions biologiques complexes. L'institut est composé de plus de 50 professeurs de l'UC San Diego et d'autres institutions locales, y compris Scripps Research, l'Institut Salk, et l'Institut de recherche médicale de Sanford-Burnham.

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