Novi model pokazuje kako se bakterije ponašaju u više scenarija sa zajedničkim prostornim obrascima

Bakterije su svuda oko nas-; ne samo u kupaonicama ili kuhinjskim pultovima, ali i unutar našeg tijela, uključujući tumore, gdje često cvjeta mikrobiota. Ove "male ekologije" mogu biti ključ terapije terapija lijekovima protiv raka, a učenje o njima može pomoći u razvoju novih lijekova za spašavanje života.

Što se događa kada su različiti sojevi bakterija prisutni u istom sustavu? Postoje li oni zajedno? Preživljavaju li najjači? U mikrobnoj igri škara za kamen, papir, istraživači sa Instituta BioCircuits Sveučilišta Kalifornija u San Diegu otkrili su iznenađujući odgovor.

Njihovi nalazi, pod naslovom "Opstanak najslabijih u neprelaznim asimetričnim interakcijama među sojevima E. coli, "pojavio se u nedavnom izdanju časopisa Nature Communications .

Istraživački tim činili su profesor bioinženjeringa i molekularne biologije Jeff Hasty; Michael Liao i Arianna Miano, obojica diplomiranih studenata bioinžinjeringa; i Chloe Nguyen, preddiplomski student bioinženjeringa. Konstruirali su tri soja E. coli (Escherichia coli) tako da svaki soj proizvodi toksin koji može ubiti jedan drugi soj, baš poput igre škare za kamen-papir.

Na pitanje kako je došlo do eksperimenta, Hasty je komentirao, "U sintetičkoj biologiji, složeni sklopovi gena tipično su karakterizirani bakterijama koje rastu u dobro pomiješanim tekućim kulturama. Međutim, mnoge aplikacije uključuju stanice za koje je ograničeno da rastu na površini. Željeli smo razumjeti ponašanje malih inženjerskih ekologija kada vrste u interakciji rastu u okruženju koje je bliže tome kako će bakterije vjerojatno kolonizirati ljudsko tijelo. "

Istraživači su pomiješali tri populacije zajedno i pustili ih da rastu na jelu nekoliko tjedana. Kad su provjerili, primijetili su da, u više eksperimenata, ista populacija preuzela bi cijelu površinu-i nije bila najjača (soj s najjačim otrovom).

Zanimaju se mogući razlozi ovog ishoda, smislili su eksperiment kako bi otkrili skrivenu dinamiku u igri.

Postojale su dvije hipoteze:ili će pobijediti srednja populacija (koja se naziva "neprijateljem najjačih" kao naprezanje koje će najjači napasti) ili će pobijediti najslabija populacija. Njihov eksperiment pokazao je da, iznenađujuče, druga je hipoteza bila točna:najslabija populacija dosljedno je preuzimala ploču.

Vraćajući se analogiji kamen-papir-škare, ako pretpostavimo "stijenski" soj od E coli ima najjači toksin, brzo će ubiti soj "škare". Budući da je soja škara jedina uspjela ubiti soj "papira", soj papira sada nema neprijatelja. Slobodno je izjedati stijensku stijenu polako tijekom nekog vremena, dok se stijena stijene ne može obraniti.

Da bismo razumjeli mehanizam koji stoji iza ove pojave, istraživači su također razvili matematički model koji bi mogao simulirati borbe između tri populacije polazeći od velikog broja uzoraka i gustoća. Model je mogao pokazati kako su se bakterije ponašale u više scenarija sa zajedničkim prostornim uzorcima, poput pruga, izolirane skupine i koncentrični krugovi.

Tek kad su sojevi u početku bili raspoređeni u uzorku koncentričnih prstenova s ​​najjačim u sredini, je li bilo moguće da najjači soj preuzme ploču.

Procjenjuje se da u ljudskom tijelu mikrobi imaju više od 10 do 1 stanica, a nekoliko bolesti pripisano je neravnoteži unutar različitih mikrobioma. Neravnoteža unutar crijevnog mikrobioma povezana je s nekoliko metaboličkih i upalnih poremećaja, raka pa čak i depresije.

Sposobnost stvaranja uravnoteženih ekosustava koji mogu koegzistirati dugo vremena može omogućiti uzbudljive nove mogućnosti za sintetičke biologe i nove zdravstvene tretmane.

Istraživanje koje provodi Hastyna skupina moglo bi pomoći u postavljanju temelja za jednog dana inženjering zdravih sintetičkih mikrobioma koji se mogu koristiti za isporuku aktivnih spojeva za liječenje različitih metaboličkih poremećaja ili bolesti i tumora.

Prorektorica za istraživanje Sandra Brown rekla je, "Spajanje molekularne biologije i bioinženjeringa omogućilo je otkriće s potencijalom za poboljšanje zdravlja ljudi diljem svijeta. Ovo je otkriće koje se možda nikada ne bi dogodilo da nisu radili zajedno. Ovo je još jedan dokaz moći UC San Diegovo multidisciplinarno istraživanje. "

Institut BioCircuits (BCI) multidisciplinarna je istraživačka jedinica koja se usredotočuje na razumijevanje dinamičkih svojstava bioloških regulatornih krugova koji se protežu na ljestvicama biologije, od unutarstaničnih regulatornih modula do populacijske dinamike i funkcije organa.

BCI nastoji razviti i potvrditi teorijske i računske modele za razumijevanje, predvidjeti, te kontroliraju složene biološke funkcije. Institut se sastoji od preko 50 nastavnika iz UC San Diega i drugih lokalnih institucija, uključujući Scripps Research, Institut Salk, i Sanford-Burnham Medical Research Institute.

• Istraživači ukazuju na ključne čimbenike koji osiguravaju uspješnu transplantaciju fekalne mikrobiote
• Modulacija oralne mikrobiote utječe na kardiovaskularne prednosti sporta