Новая модель показывает, как бактерии ведут себя в нескольких сценариях с общими пространственными моделями.

Бактерии нас окружают; не только в ванных комнатах или кухонных стойках, но и внутри наших тел, в том числе при опухолях, где микробиота часто процветает. Эти «маленькие экологии» могут содержать ключ к лекарственной терапии рака, и узнав больше о них, можно разработать новые способы спасения жизни.

Что происходит, когда в одной системе присутствуют разные штаммы бактерий? Они сосуществуют? Выживают сильнейшие? В микробной игре камень-ножницы-бумага, Исследователи из Института биосхем Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружили удивительный ответ.

Их выводы, под названием «Выживание самых слабых при нетранзитивных асимметричных взаимодействиях среди штаммов E. coli», "появилось в недавнем выпуске Nature Communications .

Исследовательская группа состояла из профессора биоинженерии и молекулярной биологии Джеффа Хэсти; Майкл Ляо и Арианна Миано, оба аспиранта по биоинженерии; и Хлоя Нгуен, бакалавр биоинженерии. Они разработали три штамма Кишечная палочка (Escherichia coli) так что каждый штамм вырабатывал токсин, который мог убить другой штамм, прямо как игра камень-ножницы-бумага.

Когда его спросили, как проводился эксперимент, Поспешный комментарий:«В синтетической биологии сложные генные цепи обычно характерны для бактерий, которые растут в хорошо перемешанных жидких культурах. Тем не мение, во многих приложениях задействованы клетки, рост которых на поверхности ограничен. Мы хотели понять поведение небольших инженерных экологических систем, когда взаимодействующие виды растут в среде, которая ближе к тому, как бактерии могут колонизировать человеческий организм ».

Исследователи смешали три популяции вместе и дали им расти на блюде в течение нескольких недель. Когда они вернулись, то заметили, в нескольких экспериментах, одна и та же популяция захватила бы всю поверхность, и это был не самый сильный штамм (штамм с наиболее сильным токсином).

Интересуясь возможными причинами такого исхода, они разработали эксперимент, чтобы выявить скрытую динамику в игре.

Существовали две гипотезы:либо средняя популяция (называемая «врагом сильнейшего», так как штамм, который атакует сильнейший), либо победит самая слабая популяция. Их эксперимент показал, что, удивительно, Вторая гипотеза оказалась верной:самая слабая популяция постоянно захватывала тарелку.

Возвращаясь к аналогии камень-ножницы-бумага, если мы предположим "каменную" деформацию Кишечная палочка имеет сильнейший токсин, он быстро убьет "ножничное" напряжение. Поскольку штамм ножниц был единственным, кто мог убить штамм «бумаги», у бумажного штамма теперь нет врагов. Это бесплатно, чтобы медленно разъедать породу в течение определенного периода времени, в то время как рок не может защитить себя.

Чтобы понять механизм этого явления, исследователи также разработали математическую модель, которая могла имитировать схватки между тремя популяциями, исходя из широкого разнообразия моделей и плотностей. Модель смогла показать, как бактерии ведут себя в нескольких сценариях с общими пространственными узорами, такими как полосы, изолированные кластеры и концентрические круги.

Только когда деформации изначально были распределены в виде концентрических колец с самыми сильными в середине, возможно ли, чтобы самая сильная деформация овладела пластиной.

Подсчитано, что количество микробов в человеческом организме превышает количество человеческих клеток в 10 к 1, а некоторые заболевания объясняются дисбалансом в различных микробиомах. Дисбаланс в микробиоме кишечника был связан с несколькими метаболическими и воспалительными нарушениями, рак и даже депрессия.

Способность создавать сбалансированные экосистемы, которые могут сосуществовать в течение длительных периодов времени, может открыть захватывающие новые возможности для синтетических биологов и новые методы лечения.

Исследование, проводимое группой Хэсти, может помочь заложить основу для создания здоровых синтетических микробиомов, которые можно использовать для доставки активных соединений для лечения различных метаболических нарушений или заболеваний и опухолей.

Вице-канцлер по исследованиям Сандра Браун сказала:«Объединение молекулярной биологии и бионинжиниринга позволило сделать открытия, которые потенциально могут улучшить здоровье людей во всем мире. Это открытие, возможно, никогда бы не произошло, если бы они не работали вместе. Это еще одно свидетельство силы UC San Междисциплинарное исследование Диего ".

Институт биосхем (BCI) - это междисциплинарное исследовательское подразделение, которое фокусируется на понимании динамических свойств биологических регуляторных цепей, которые охватывают масштабы биологии, от внутриклеточных регуляторных модулей до популяционной динамики и функций органов.

BCI стремится разработать и проверить теоретические и вычислительные модели, чтобы понять, предсказывать, и контролировать сложные биологические функции. Институт состоит из более чем 50 преподавателей Калифорнийского университета в Сан-Диего и других местных учреждений. включая Scripps Research, Институт Солка, и Медицинский научно-исследовательский институт Сэнфорд-Бернхэм.

• Исследователи определяют ключевые факторы для обеспечения успешной трансплантации фекальной микробиоты.
• Модуляция микробиоты полости рта влияет на пользу спорта для сердечно-сосудистой системы