Il nuovo modello mostra come si comportano i batteri in più scenari con schemi spaziali comuni

I batteri sono tutto intorno a noi-; non solo nei bagni o nei ripiani della cucina, ma anche dentro i nostri corpi, anche nei tumori, dove il microbiota spesso fiorisce. Queste "piccole ecologie" possono contenere la chiave per le terapie farmacologiche contro il cancro e saperne di più su di esse può aiutare a sviluppare nuovi trattamenti salvavita.

Cosa succede quando nello stesso sistema sono presenti diversi ceppi di batteri? Convivono? I più forti sopravvivono? In un microbico gioco di forbici sasso-carta, i ricercatori del BioCircuits Institute dell'Università della California a San Diego hanno scoperto una risposta sorprendente.

Le loro scoperte, intitolato "Sopravvivenza dei più deboli nelle interazioni asimmetriche non transitive tra ceppi di E. coli, " apparso in una recente edizione di Comunicazioni sulla natura .

Il gruppo di ricerca era composto dal Professore di Bioingegneria e Biologia Molecolare Jeff Hasty; Michele Liao e Arianna Miano, entrambi laureati in bioingegneria; e Chloe Nguyen, uno studente di bioingegneria. Hanno progettato tre ceppi di Escherichia coli (Escherichia coli) in modo che ogni ceppo producesse una tossina che poteva uccidere un altro ceppo, proprio come un gioco di forbici sasso-carta.

Alla domanda su come è nato l'esperimento, ha commentato frettoloso, "Nella biologia sintetica, circuiti genici complessi sono tipicamente caratterizzati nei batteri che crescono in colture liquide ben miscelate. Però, molte applicazioni coinvolgono cellule che sono limitate a crescere su una superficie. Volevamo capire il comportamento delle piccole ecologie ingegnerizzate quando le specie interagenti crescono in un ambiente più vicino a come i batteri possono colonizzare il corpo umano".

I ricercatori hanno mescolato insieme le tre popolazioni e le hanno lasciate crescere su un piatto per diverse settimane. Quando hanno ricontrollato hanno notato che, attraverso più esperimenti, la stessa popolazione avrebbe occupato l'intera superficie; e non era il più forte (il ceppo con la tossina più potente).

Incuriosito dalle possibili ragioni di questo esito, hanno ideato un esperimento per svelare le dinamiche nascoste in gioco.

C'erano due ipotesi:o avrebbe vinto la popolazione media (chiamata "il nemico del più forte" come il ceppo che il più forte avrebbe attaccato) o avrebbe vinto la popolazione più debole. Il loro esperimento ha mostrato che, sorprendentemente, la seconda ipotesi era vera:la popolazione più debole prendeva sistematicamente il piatto.

Tornando all'analogia sasso-carta-forbici, se assumiamo il ceppo "rock" di E.coli ha la tossina più forte, ucciderà rapidamente il ceppo "a forbice". Poiché il ceppo a forbice era l'unico in grado di uccidere il ceppo "carta", il ceppo di carta ora non ha nemici. È libero di consumare lentamente il ceppo rock per un periodo di tempo, mentre il ceppo roccioso non è in grado di difendersi.

Per dare un senso al meccanismo alla base di questo fenomeno, i ricercatori hanno anche sviluppato un modello matematico che potrebbe simulare combattimenti tra le tre popolazioni partendo da un'ampia varietà di modelli e densità. Il modello è stato in grado di mostrare come si sono comportati i batteri in più scenari con schemi spaziali comuni come strisce, grappoli isolati e cerchi concentrici.

Solo quando i ceppi erano inizialmente distribuiti secondo uno schema di anelli concentrici con il più forte nel mezzo, era possibile che il ceppo più forte prendesse il sopravvento sul piatto.

Si stima che i microbi siano più numerosi delle cellule umane da 10 a 1 nel corpo umano e diverse malattie sono state attribuite a squilibri all'interno di vari microbiomi. Gli squilibri all'interno del microbioma intestinale sono stati collegati a diversi disturbi metabolici e infiammatori, cancro e persino depressione.

La capacità di progettare ecosistemi equilibrati che possono coesistere per lunghi periodi di tempo può consentire nuove entusiasmanti possibilità per i biologi sintetici e nuovi trattamenti sanitari.

La ricerca che il gruppo di Hasty sta conducendo potrebbe aiutare a gettare le basi per progettare un giorno microbiomi sintetici sani che possono essere utilizzati per fornire composti attivi per trattare vari disordini metabolici o malattie e tumori.

Il vicerettore per la ricerca Sandra Brown ha dichiarato:"Riunire la biologia molecolare e la bioingegneria ha permesso la scoperta con il potenziale per migliorare la salute delle persone in tutto il mondo. Questa è una scoperta che potrebbe non essere mai avvenuta se non avessero lavorato in modo collaborativo. Questa è un'altra testimonianza del potere di UC San La ricerca multidisciplinare di Diego."

Il BioCircuits Institute (BCI) è un'unità di ricerca multidisciplinare che si concentra sulla comprensione delle proprietà dinamiche dei circuiti regolatori biologici che abbracciano le scale della biologia, dai moduli regolatori intracellulari alle dinamiche di popolazione e alla funzione degli organi.

BCI cerca di sviluppare e convalidare modelli teorici e computazionali per comprendere, prevedere, e controllare funzioni biologiche complesse. L'istituto è composto da oltre 50 docenti della UC San Diego e di altre istituzioni locali, tra cui Scripps Research, l'Istituto Salk, e il Sanford-Burnham Medical Research Institute.

• I ricercatori individuano i fattori chiave per garantire il successo dei trapianti di microbiota fecale
• La modulazione del microbiota orale influisce sui benefici cardiovascolari dello sport