Novo modelo mostra como as bactérias se comportam em vários cenários com padrões espaciais comuns

As bactérias estão ao nosso redor; não apenas em banheiros ou balcões de cozinha, mas também dentro de nossos corpos, incluindo em tumores, onde a microbiota freqüentemente floresce. Essas "pequenas ecologias" podem ser a chave para as terapias de drogas contra o câncer e aprender mais sobre elas pode ajudar a desenvolver novos tratamentos que salvam vidas.

p O que acontece quando diferentes cepas de bactérias estão presentes no mesmo sistema? Eles coexistem? O mais forte sobrevive? Em um jogo microbiano de pedra-papel-tesoura, pesquisadores do BioCircuits Institute da Universidade da Califórnia em San Diego descobriram uma resposta surpreendente.

p Suas descobertas, intitulado "Sobrevivência do mais fraco em interações assimétricas não transitivas entre cepas de E. coli, "apareceu em uma edição recente de Nature Communications .

p A equipe de pesquisa era composta pelo Professor de Bioengenharia e Biologia Molecular Jeff Hasty; Michael Liao e Arianna Miano, ambos alunos de graduação em bioengenharia; e Chloe Nguyen, um graduando em bioengenharia. Eles desenvolveram três cepas de E. coli (Escherichia coli) para que cada cepa produzisse uma toxina que poderia matar uma outra cepa, como um jogo de pedra-papel-tesoura.

p Quando questionado sobre como o experimento surgiu, Comentou apressado, “Em biologia sintética, circuitos de genes complexos são tipicamente caracterizados em bactérias que estão crescendo em culturas líquidas bem misturadas. Contudo, muitas aplicações envolvem células que estão restritas a crescer em uma superfície. Queríamos entender o comportamento de pequenas ecologias projetadas quando as espécies interagentes estão crescendo em um ambiente mais próximo de como as bactérias tendem a colonizar o corpo humano. "

p Os pesquisadores misturaram as três populações e as deixaram crescer em um prato por várias semanas. Quando eles checaram, eles notaram que, em vários experimentos, a mesma população tomaria conta de toda a superfície; e não era a mais forte (a cepa com a toxina mais potente).

p Curioso sobre as possíveis razões para este resultado, eles planejaram um experimento para desvendar as dinâmicas ocultas em jogo.

p Havia duas hipóteses:ou a população média (chamada de "inimiga do mais forte" como a linhagem que o mais forte atacaria) venceria ou a população mais fraca venceria. Seu experimento mostrou que, surpreendentemente, a segunda hipótese era verdadeira:a população mais fraca consistentemente assumiu o controle.

p Voltando à analogia da pedra-papel-tesoura, se assumirmos a cepa "rock" de E.coli tem a toxina mais forte, ele matará rapidamente a cepa "tesoura". Uma vez que a cepa de tesoura foi a única capaz de matar a cepa de "papel", a cepa de papel agora não tem inimigos. É grátis para corroer a tensão da rocha lentamente ao longo de um período de tempo, enquanto a cepa de rocha é incapaz de se defender.

p Para entender o mecanismo por trás desse fenômeno, os pesquisadores também desenvolveram um modelo matemático que poderia simular lutas entre as três populações a partir de uma ampla variedade de padrões e densidades. O modelo foi capaz de mostrar como as bactérias se comportaram em vários cenários com padrões espaciais comuns, como listras, aglomerados isolados e círculos concêntricos.

p Somente quando as tensões foram inicialmente distribuídas no padrão de anéis concêntricos com os mais fortes no meio, seria possível que a tensão mais forte assumisse o controle do prato.

p Estima-se que os micróbios superam as células humanas de 10 para 1 no corpo humano e várias doenças foram atribuídas a desequilíbrios em vários microbiomas. Desequilíbrios no microbioma intestinal têm sido associados a vários distúrbios metabólicos e inflamatórios, câncer e até depressão.

p A capacidade de projetar ecossistemas equilibrados que podem coexistir por longos períodos de tempo pode permitir novas possibilidades estimulantes para biólogos sintéticos e novos tratamentos de saúde.

p A pesquisa que o grupo de Hasty está conduzindo pode ajudar a estabelecer as bases para um dia criar microbiomas sintéticos saudáveis ​​que podem ser usados ​​para fornecer compostos ativos para tratar vários distúrbios metabólicos ou doenças e tumores.

p A vice-reitora de pesquisas Sandra Brown disse:"A combinação da biologia molecular com a bionengenharia permitiu descobertas com potencial para melhorar a saúde das pessoas em todo o mundo. Esta é uma descoberta que nunca teria ocorrido se eles não estivessem trabalhando em colaboração. Esta é outra prova do poder da UC San A pesquisa multidisciplinar de Diego. "

p O BioCircuits Institute (BCI) é uma unidade de pesquisa multidisciplinar que se concentra na compreensão das propriedades dinâmicas dos circuitos reguladores biológicos que abrangem as escalas da biologia, de módulos regulatórios intracelulares a dinâmica populacional e função de órgãos.

p O BCI procura desenvolver e validar modelos teóricos e computacionais para compreender, prever, e controlar funções biológicas complexas. O instituto é composto por mais de 50 professores da UC San Diego e de outras instituições locais, incluindo Scripps Research, o Instituto Salk, e o Sanford-Burnham Medical Research Institute.

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