Naujasis modelis parodo, kaip bakterijos elgiasi įvairiais scenarijais, turinčiais bendrus erdvinius modelius

Bakterijos yra visur aplink mus; ne tik vonios kambariuose ar virtuvės stalviršiuose, bet ir mūsų kūno viduje, įskaitant navikus, kur dažnai klesti mikrobiota. Šios „mažos ekologijos“ gali būti raktas į vaistų nuo vėžio gydymą ir daugiau sužinoti apie jas gali padėti sukurti naujus gyvybę gelbstinčius gydymo būdus.

Kas atsitinka, kai toje pačioje sistemoje yra skirtingų bakterijų padermių? Ar jie egzistuoja kartu? Ar stipriausi išgyvena? Mikrobiologiniame žaidime su akmens ir popieriaus žirklėmis, Kalifornijos universiteto San Diego BioCircuits instituto mokslininkai atskleidė nuostabų atsakymą.

Jų išvados, pavadinimu „Silpniausių neišnykstančių asimetrinių E. coli padermių sąveikos išgyvenimas, “pasirodė naujausiame leidime Gamtos komunikacijos .

Tyrimo komandą sudarė bioinžinerijos ir molekulinės biologijos profesorius Jeffas Hasty; Michaelas Liao ir Arianna Miano, tiek bioinžinerijos magistrantūros studentai; ir Chloe Nguyen, bioinžinerijos bakalauras. Jie sukūrė tris padermes E. coli (Escherichia coli) kad kiekviena padermė gamintų toksiną, kuris galėtų nužudyti vieną kitą padermę, kaip žaidimas su akmens popieriaus žirklėmis.

Paklaustas, kaip įvyko eksperimentas, Skubiai pakomentavo, „Sintetinėje biologijoje, sudėtingoms genų grandinėms paprastai būdingos bakterijos, kurios auga gerai sumaišytose skystose kultūrose. Tačiau, daugelyje programų naudojamos ląstelės, kurių augimas yra ribotas. Mes norėjome suprasti mažų inžinerinių ekologijų elgesį, kai sąveikaujančios rūšys auga aplinkoje, kuri yra arčiau to, kaip bakterijos gali kolonizuoti žmogaus kūną “.

Mokslininkai sumaišė tris populiacijas ir leido jiems kelias savaites augti ant patiekalo. Grįžę jie pastebėjo, kad atliekant kelis eksperimentus, ta pati populiacija užimtų visą paviršių; ir ji nebuvo stipriausia (padermė, turinti stipriausią toksiną).

Smalsu apie galimas tokio rezultato priežastis, jie sugalvojo eksperimentą, kad atskleistų paslėptą dinamiką.

Buvo dvi hipotezės:arba vidutinė populiacija (vadinama „stipriausiųjų priešu“, kaip stipriausių puolimas), arba laimės silpniausia populiacija. Jų eksperimentas parodė, stebėtinai, antroji hipotezė buvo teisinga:lėkštę nuolat perėmė silpniausia populiacija.

Grįžtant prie akmens ir popieriaus žirklių analogijos, jei manytume „uolienų“ atmainą E.coli turi stipriausią toksiną, tai greitai nužudys „žirklinę“ padermę. Kadangi žirklinis štamas buvo vienintelis, galintis nužudyti „popierinę“ padermę, popieriaus padermė dabar neturi priešų. Nemokamai galima lėtai per tam tikrą laiką suvalgyti uolieną, o uolienų padermė negali apsiginti.

Norėdami suprasti šio reiškinio mechanizmą, tyrėjai taip pat sukūrė matematinį modelį, kuris galėtų imituoti kovas tarp trijų populiacijų, pradedant nuo įvairių modelių ir tankių. Modelis sugebėjo parodyti, kaip bakterijos elgėsi pagal kelis scenarijus, turinčius bendrus erdvinius modelius, tokius kaip juostelės, izoliuotos grupės ir koncentriniai apskritimai.

Tik tada, kai padermės iš pradžių buvo paskirstytos pagal koncentrinius žiedus, kurių stipriausi buvo viduryje, ar buvo įmanoma, kad stipriausia įtampa perimtų lėkštę.

Manoma, kad žmogaus organizme mikrobai viršija 10–1 žmogaus ląsteles, o dėl įvairių mikrobiomų pusiausvyros sutrikimų priskiriamos kelios ligos. Žarnyno mikrobiomo disbalansas buvo susijęs su keletu medžiagų apykaitos ir uždegiminių sutrikimų, vėžys ir net depresija.

Galimybė sukurti subalansuotas ekosistemas, kurios gali egzistuoti ilgą laiką, gali suteikti naujų įdomių galimybių sintetiniams biologams ir naujoms sveikatos priežiūros paslaugoms.

Tyrimas, kurį atlieka „Hasty“ grupė, gali padėti sukurti pagrindą sveikų sintetinių mikrobiomų, kurie gali būti naudojami aktyviems junginiams, skirtiems įvairiems medžiagų apykaitos sutrikimams ar ligoms ir navikams gydyti, sukurti.

Tyrimų vicekanclerė Sandra Brown sakė:"Sujungus molekulinę biologiją ir bionoinžineriją, buvo galima atrasti atradimų, galinčių pagerinti žmonių sveikatą visame pasaulyje. Tai atradimas, kurio galbūt niekada nebūtų buvę, jei jie nedirbtų bendradarbiaudami. Tai dar vienas UC San galios įrodymas Diego daugiadisciplininiai tyrimai “.

„BioCircuits Institute“ (BCI) yra daugiadisciplininis tyrimų padalinys, kurio tikslas - suprasti biologinių reguliavimo grandinių, apimančių biologijos mastus, dinamines savybes, nuo tarpląstelinių reguliavimo modulių iki populiacijos dinamikos ir organų funkcijos.

BCI siekia sukurti ir patvirtinti teorinius ir skaičiavimo modelius, kad suprastų, numatyti, ir kontroliuoti sudėtingas biologines funkcijas. Institutą sudaro daugiau nei 50 fakultetų iš UC San Diego ir kitų vietinių institucijų, įskaitant „Scripps“ tyrimus, Salko institutas, ir Sanfordo-Burnhamo medicinos tyrimų institutas.

• Mokslininkai nustato pagrindinius veiksnius, kurie užtikrina sėkmingą išmatų mikrobiotos transplantaciją
• Burnos mikrobiotos moduliavimas daro įtaką sporto naudai širdies ir kraujagyslių sistemai