Nový model ukazuje, ako sa baktérie správajú vo viacerých scenároch so spoločnými priestorovými vzormi

Baktérie sú všade okolo nás-; nielen v kúpeľniach alebo kuchynských linkách, ale aj vo vnútri nášho tela, vrátane nádorov, kde mikrobiota často prekvitá. Tieto „malé ekológie“ môžu byť kľúčom k terapii protirakovinovými liekmi a dozvedieť sa o nich viac môže pomôcť vyvinúť nové liečebné postupy zachraňujúce život.

Čo sa stane, keď sú v tom istom systéme prítomné rôzne kmene baktérií? Existujú spolu? Prežijú najsilnejší? V mikrobiálnej hre nožnice kameň-papier, vedci z Kalifornskej univerzity v San Diegu v inštitúte BioCircuits odhalili prekvapivú odpoveď.

Ich zistenia, s názvom „Prežitie najslabších v netranzitívnych asymetrických interakciách medzi kmeňmi E. coli, “sa objavil v nedávnom vydaní Prírodné komunikácie .

Výskumný tím tvoril profesor bioinžinierstva a molekulárnej biológie Jeff Hasty; Michael Liao a Arianna Miano, obaja absolventi bioinžinierstva; a Chloe Nguyen, bioinžinierstvo vysokoškolák. Zostrojili tri kmene E. coli (Escherichia coli) aby každý kmeň produkoval toxín, ktorý by mohol zabiť jeden ďalší kmeň, presne ako hra na kameň-nožnice-papier.

Na otázku, ako experiment vznikol, Unáhlený komentár, „V syntetickej biológii, komplexné génové obvody sú typicky charakterizované baktériami, ktoré rastú v dobre premiešaných kvapalných kultúrach. Avšak, mnoho aplikácií zahŕňa bunky, ktorých rast je obmedzený na povrchu. Chceli sme pochopiť správanie malých upravených ekológií, keď interagujúce druhy rastú v prostredí, ktoré je bližšie tomu, ako baktérie pravdepodobne kolonizujú ľudské telo. “

Vedci zmiešali tri populácie dohromady a nechali ich niekoľko týždňov rásť na miske. Keď sa vrátili, všimli si, že vo viacerých experimentoch, rovnaká populácia by zabrala celý povrch-a nebolo to najsilnejšie (kmeň s najsilnejším toxínom).

Som zvedavý na možné dôvody tohto výsledku. vymysleli experiment, aby odhalili skrytú dynamiku hry.

Existovali dve hypotézy:buď vyhrá stredná populácia (nazývaná „nepriateľ najsilnejších“ ako napätie, na ktoré zaútočí najsilnejší) alebo vyhrá najslabšia populácia. Ich experiment ukázal, že prekvapivo, druhá hypotéza bola pravdivá:tanier konzistentne preberala najslabšia populácia.

Vráťme sa k analógii kameň-papier-nožnice, ak predpokladáme „skalný“ kmeň z E.coli má najsilnejší toxín, rýchlo zabije kmeň „nožnice“. Pretože nožnicový kmeň bol jediný, ktorý dokázal zabiť „papierový“ kmeň, kmeň papiera teraz nemá nepriateľov. Darmo môžete po určitý čas pomaly zožierať skalný kmeň, zatiaľ čo skalný kmeň sa nedokáže brániť.

Aby sme pochopili mechanizmus tohto javu, vedci tiež vyvinuli matematický model, ktorý by mohol simulovať boje medzi týmito tromi populáciami vychádzajúc zo širokej škály vzorcov a hustôt. Model bol schopný ukázať, ako sa baktérie správali vo viacerých scenároch so spoločnými priestorovými vzormi, ako sú pruhy, izolované zhluky a sústredné kruhy.

Iba vtedy, keď boli kmene pôvodne distribuované podľa vzoru sústredných prstencov, pričom najsilnejšie boli v strede, bolo možné, aby najsilnejší kmeň prevzal tanier.

Odhaduje sa, že mikróby prevyšujú počet ľudských buniek 10 až 1 v ľudskom tele a nerovnováhe v rôznych mikrobiómoch sa pripisuje niekoľko chorôb. Nerovnováha v črevnom mikrobióme je spojená s niekoľkými metabolickými a zápalovými poruchami, rakovina a dokonca aj depresia.

Schopnosť inžinierstva vyvážených ekosystémov, ktoré môžu koexistovať dlhší čas, môže syntetickým biológom priniesť nové možnosti a nové liečebné postupy.

Výskum, ktorý Hastyho skupina realizuje, môže pomôcť položiť základy k tomu, aby jedného dňa inžinier vytvoril zdravé syntetické mikrobiómy, ktoré je možné použiť na dodávanie aktívnych zlúčenín na liečbu rôznych metabolických porúch alebo chorôb a nádorov.

Vicekancelárka pre výskum Sandra Brownová povedala:„Spojenie molekulárnej biológie a bioninžinierstva umožnilo objav s potenciálom zlepšiť zdravie ľudí na celom svete. Toto je objav, ktorý by sa možno nikdy nestal, keby nepracovali spoločne. Toto je ďalší dôkaz sily UC San Diegov multidisciplinárny výskum. “

BioCircuits Institute (BCI) je multidisciplinárna výskumná jednotka, ktorá sa zameriava na pochopenie dynamických vlastností biologických regulačných obvodov, ktoré pokrývajú rozsahy biológie, od intracelulárnych regulačných modulov po populačnú dynamiku a funkciu orgánov.

BCI sa snaží vyvinúť a validovať teoretické a výpočtové modely na pochopenie, predpovedať, a ovládať komplexné biologické funkcie. Inštitút pozostáva z viac ako 50 fakúlt z UC San Diego a ďalších miestnych inštitúcií, vrátane výskumu Scripps, Salk Institute, a Sanford-Burnham Medical Research Institute.

• Vedci určujú kľúčové faktory na zabezpečenie úspešných transplantácií fekálnej mikrobioty
• Modulácia orálnej mikrobioty má vplyv na kardiovaskulárny prínos športu