Forskning åpner muligheter for å avdekke kompleksiteten til mikrobielle samfunn

"Mikrobielle samfunn driver verden, "sier Jo Handelsman, direktør for Wisconsin Institute for Discovery ved University of Wisconsin-Madison.

"Folk ler alltid når jeg sier det, "legger hun til." Men det er sant. "

Vår rike nye forståelse av mikrobielle samfunn og deres innflytelse på menneskers helse eller avlingsproduktivitet har ført til drømmen om å endre disse samfunnene for å gi fordeler. I jakten på den drømmen, millioner amerikanere tar nå probiotika, fordelaktige mikrober de håper vil forbedre tarmen.

Men den enorme kompleksiteten og spenstigheten til disse mikrobiomene gjør at forskerne er usikre på hvordan de skal produsere forutsigbare og langvarige endringer til det bedre.

Ny forskning av Handelsman og hennes samarbeidspartnere tar for seg denne kompleksiteten. Teamet utviklet et fellesskap de kalte THOR, tre bakteriearter isolert fra soyabønner og vokst sammen. Det komplekse mikrobelfellesskapet utviklet ny atferd sammen som ikke kunne forutsies fra de enkelte medlemmene alene - de vokste tøffere strukturer kjent som biofilm, endret hvordan de beveget seg over miljøet sitt, og kontrollerte frigjøringen av et nytt antibiotika.

Hvert av de tre medlemmene i THOR har et sekvensert genom, og en rekke verktøy er tilgjengelige for enkelt å studere bakteriene isolert og sammen, som åpner muligheter for å begynne å avdekke kompleksiteten til mikrobielle samfunn som THOR og andre. En bedre forståelse av disse mikrobiomene kan hjelpe forskere til å finne ut hvordan de kan forbedres.

Verket er publisert 5. mars i tidsskriftet mBio . Arbeidet ble ledet av Handelsman lab postdoktorforsker Gabriel Lozano med samarbeidspartnere ved UW-Madison Department of Plant Pathology, Yale University og andre institusjoner.

Det tordnende navnet THOR stammer fra medlemmene i samfunnet:The Hitchhikers Of the Rhizosphere. År siden, Handelsmans laboratorium la merke til at flere bakterier fulgte med på turen da medlemmer av vanlige Bacillus -bakterier ble isolert fra mikrobiomet i soyabønnerøtter, kjent som rhizosfæren. Disse haikerne viste seg bare da Bacillus -bakterier ble dyrket i kulden i flere uker.

De tette assosiasjonene mellom forskjellige arter antyder at de kan tjene som et modellsamfunn for å teste hvordan komplekse egenskaper dukker opp når flere arter deler det samme rommet. Forskerne bosatte seg på arter fra Pseudomonas- og Flavobacterium -bakteriegruppene for å vokse og studere sammen med Bacillus.

Kombinert, medlemmene av THOR skryte av rundt 15, 000 gener og var i stand til å produsere tusenvis av små molekyler, skape "lag av kompleksitet" over tid og på tvers av rom, sier Handelsman.

Når vokst alene, Pseudomonas -medlemmet i THOR produserer en biofilm, en solid struktur som beskytter bakteriene mot miljøet. Biofilm tyggegummi opp implantater som brukes i medisin og gjør bakterier resistente mot antibiotika. Da alle tre medlemmene av THOR ble vokst sammen, samfunnet produserte to ganger så mye biofilm og biofilmen varte lenger enn da Pseudomonas var alene.

"Selv når befolkningen er liten, disse andre artene utløser større biofilmer, "sier Handelsman.

Andre komplekse trekk dukket også opp i THOR. Bacillus -medlemmet reduserte produksjonen av antibiotika laget av Pseudomonas, beskytter Flavobacterium mot virkningen. Og de andre medlemmene av THOR fikk Bacillus -koloniene til å vokse ut som grenene på et tre, sprer seg over og rundt de andre bakteriene i komplekse mønstre.

Mange forsøk på å manipulere mikrobiomer er fokusert på å forbedre menneskers helse, og modellsamfunn som THOR kan hjelpe forskere til å forstå hvordan komplekse mikrobielle forhold kan endres til fordel for oss.

Men THORs informasjon om mikrobiomet til planterøtter, rhizosfæren, er like viktig. Rhizosfæren hjelper til med å lime jord sammen, forhindrer erosjon. Og jord låser opp tre ganger mer karbon enn flyter i atmosfæren, gjør det til et viktig element for å håndtere klimaendringer. Å vite hvordan individuelle mikrober kommer sammen for å produsere de rike, kompleks oppførsel av jordmikrobiomet kan være en nøkkel for å maksimere fordelen vi får fra disse usynlige samfunnene.

"Det er et av de mest kritiske forholdene vi har, "sier Handelsman.

• Rutineundersøkelser av tykktarmskreft og tidlig oppdagelse kan redde liv
• Anti-vaksinasjonsaktivister misbruker nye vitenskapelige gjennombrudd på gunstige mikrober