Wat gebeurt er als verschillende bacteriestammen in hetzelfde systeem aanwezig zijn? Bestaan ze naast elkaar? Overleeft de sterkste? In een microbieel spel van steen-papier-schaar, onderzoekers van het BioCircuits Institute van de University of California San Diego ontdekten een verrassend antwoord.
Hun bevindingen, getiteld "Overleving van de zwaksten in niet-transitieve asymmetrische interacties tussen stammen van E. coli, " verscheen in een recente editie van Natuurcommunicatie .
Het onderzoeksteam bestond uit hoogleraar Bioengineering en Moleculaire Biologie Jeff Hasty; Michael Liao en Arianna Miano, beide afgestudeerde bio-ingenieurswetenschappen; en Chloë Nguyen, een bachelor bio-ingenieur. Ze hebben drie soorten E. coli (Escherichia coli) zodat elke stam een toxine produceerde dat een andere stam zou kunnen doden, net als een spelletje steen-papier-schaar.
Op de vraag hoe het experiment tot stand kwam, Haastig commentaar, "In de synthetische biologie complexe gencircuits worden typisch gekarakteriseerd in bacteriën die groeien in goed gemengde vloeibare culturen. Echter, veel toepassingen hebben betrekking op cellen die beperkt zijn om op een oppervlak te groeien. We wilden het gedrag van kleine kunstmatige ecologieën begrijpen wanneer de op elkaar inwerkende soorten groeien in een omgeving die dichter ligt bij hoe bacteriën het menselijk lichaam waarschijnlijk zullen koloniseren."
De onderzoekers mengden de drie populaties door elkaar en lieten ze enkele weken op een schaaltje groeien. Toen ze terugkwamen, merkten ze dat, in meerdere experimenten, dezelfde populatie zou het hele oppervlak overnemen - en het was niet de sterkste (de soort met het krachtigste toxine).
Benieuwd naar de mogelijke redenen voor deze uitkomst, ze bedachten een experiment om de verborgen dynamiek in het spel te onthullen.
Er waren twee hypothesen:ofwel zou de middelgrote bevolking (de "vijand van de sterkste" genoemd als de soort die de sterkste zou aanvallen) winnen, of de zwakste bevolking zou winnen. Hun experiment toonde aan dat, verrassend genoeg, de tweede hypothese was waar:de zwakste populatie nam consequent de plaat over.
Terugkomend op de steen-papier-schaar-analogie, als we uitgaan van de "rock"-stam van E coli heeft het sterkste toxine, het zal snel de "schaar" -stam doden. Omdat de schaarstam de enige was die de "papieren" -stam kon doden, de papiersoort heeft nu geen vijanden meer. Het is gratis om de rotsstam langzaam over een bepaalde periode weg te eten, terwijl de rotsstam zich niet kan verdedigen.
Om het mechanisme achter dit fenomeen te begrijpen, de onderzoekers ontwikkelden ook een wiskundig model dat gevechten tussen de drie populaties kon simuleren door uit te gaan van een grote verscheidenheid aan patronen en dichtheden. Het model was in staat om te laten zien hoe de bacteriën zich gedroegen in meerdere scenario's met gemeenschappelijke ruimtelijke patronen zoals strepen, geïsoleerde clusters en concentrische cirkels.
Pas toen de stammen aanvankelijk werden verdeeld in het patroon van concentrische ringen met de sterkste in het midden, was het mogelijk voor de sterkste stam om de plaat over te nemen.
Naar schatting overtreffen microben de menselijke cellen 10 tot 1 in het menselijk lichaam en verschillende ziekten zijn toegeschreven aan onevenwichtigheden in verschillende microbiomen. Onevenwichtigheden in het darmmicrobioom zijn in verband gebracht met verschillende metabole en inflammatoire aandoeningen, kanker en zelfs depressie.
Het vermogen om evenwichtige ecosystemen te ontwikkelen die gedurende lange tijd naast elkaar kunnen bestaan, kan opwindende nieuwe mogelijkheden bieden voor synthetische biologen en nieuwe behandelingen in de gezondheidszorg.
Het onderzoek dat de groep van Hasty uitvoert, kan helpen om de basis te leggen voor het ontwikkelen van gezonde synthetische microbiomen die kunnen worden gebruikt om actieve verbindingen te leveren voor de behandeling van verschillende stofwisselingsstoornissen of ziekten en tumoren.
Vice-kanselier voor onderzoek Sandra Brown zei:"Door moleculaire biologie en bio-engineering samen te brengen, hebben we ontdekkingen mogelijk gemaakt met het potentieel om de gezondheid van mensen over de hele wereld te verbeteren. Dit is een ontdekking die misschien nooit had plaatsgevonden als ze niet hadden samengewerkt. Dit is nog een bewijs van de kracht van UC San Diego's multidisciplinair onderzoek."
Het BioCircuits Institute (BCI) is een multidisciplinaire onderzoekseenheid die zich richt op het begrijpen van de dynamische eigenschappen van biologische regelcircuits die de schalen van de biologie, van intracellulaire regelmodules tot populatiedynamiek en orgaanfunctie.
BCI wil theoretische en computationele modellen ontwikkelen en valideren om inzicht te krijgen in, voorspellen, en controle van complexe biologische functies. Het instituut bestaat uit meer dan 50 docenten van UC San Diego en andere lokale instellingen, inclusief Scripps-onderzoek, het Salk Instituut, en het Sanford-Burnham Medical Research Institute.
Ziekte van Crohn
Schoonmaakproducten kunnen het risico op astma bij kinderen verhogen, blijkt uit onderzoek
Type bovenste luchtwegbacteriën kan de ernst van astma beïnvloeden
Dat Pepto je maagzweer waarschijnlijk niet zal helpen
Onderzoek zegt bij SARS-CoV-2 hondeninfectie,
Plantaardig dieet kan je reumatoïde artritis genezen
Maagzuur begrijpen
Maagzuur, het brandende gevoel dat optreedt in de borst of de keel, is meestal een tijdelijk probleem - misschien heb je gekruid eten gegeten - maar voor sommige mensen, het kan chronisch zijn. Maagzu
Glycyrrhizinezuur als kandidaat-geneesmiddel voor COVID-19
Therapieën om de schade veroorzaakt door het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) tegen te gaan, zijn zeldzaam, ondanks pogingen om nieuwe medicijnen te ontdekken en reeds g
GSK-3-remmers zijn veelbelovend bij de behandeling van coronavirusinfecties
Onderzoekers in de Verenigde Staten hebben een nieuwe benadering voorgesteld voor de behandeling van infectie met coronavirussen, zoals het ernstige acute respiratoire syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV