Forskning öppnar möjligheter att avslöja komplexiteten hos mikrobiella samhällen

"Mikrobiella samhällen driver världen, "säger Jo Handelsman, chef för Wisconsin Institute for Discovery vid University of Wisconsin-Madison.

"Folk skrattar alltid när jag säger det, "tillägger hon." Men det är sant. "

Vår rika nya förståelse för mikrobiella samhällen och deras inflytande på människors hälsa eller grödans produktivitet har lett till drömmen om att förändra dessa samhällen för att ge fördelar. I jakten på den drömmen, miljontals amerikaner tar nu probiotika, fördelaktiga mikrober som de hoppas kommer att förbättra deras tarm.

Men den enorma komplexiteten och motståndskraften hos dessa mikrobiomer gör att forskare är osäkra på hur de ska producera förutsägbara och långvariga förändringar till det bättre.

Ny forskning av Handelsman och hennes medarbetare tar upp denna komplexitet direkt. Teamet utvecklade en gemenskap som de kallade THOR, tre bakteriearter isolerade från sojabönorötter och odlas tillsammans. Den komplexa gemenskapen av mikrober utvecklade nya beteenden tillsammans som inte kunde förutses från de enskilda medlemmarna ensamma - de växte tuffare strukturer som kallas biofilmer, förändrade hur de rörde sig i sin omgivning, och kontrollerade frisättningen av ett nytt antibiotikum.

Var och en av de tre medlemmarna i THOR har ett sekvenserat genom, och en rad verktyg finns tillgängliga för att enkelt studera bakterierna isolerat och tillsammans, vilket öppnar upp möjligheter att börja upptäcka komplexiteten hos mikrobiella samhällen som THOR och andra. En bättre förståelse av dessa mikrobiomer kan hjälpa forskare att räkna ut hur de kan förbättras.

Verket publiceras den 5 mars i tidskriften mBio . Arbetet leddes av Handelsman lab postdoktoral forskare Gabriel Lozano med medarbetare vid UW-Madison Department of Plant Pathology, Yale University och andra institutioner.

Det dundrande namnet THOR härrör från medlemmarna i samhället:The Hitchhikers Of the Rhizosphere. För flera år sedan, Handelsmans laboratorium märkte att flera bakterier följde med på resan när medlemmar av vanliga Bacillus -bakterier isolerades från mikrobiomet i sojabönorötter, känd som rhizosfären. Dessa liftare visade sig bara när Bacillus -bakterier odlades i kylan i flera veckor.

De snäva associationerna mellan olika arter tyder på att de kan fungera som en modellgemenskap för att testa hur komplexa egenskaper uppstår när flera arter delar samma utrymme. Forskarna bestämde sig för arter från grupperna Pseudomonas och Flavobacterium för att växa och studera tillsammans med Bacillus.

Kombinerad, medlemmarna i THOR skrytte med cirka 15, 000 gener och kunde producera tusentals små molekyler, skapa "lager av komplexitet" över tid och över rymden, säger Handelsman.

När man växer ensam, Pseudomonas -medlemmen i THOR producerar en biofilm, en rejäl struktur som skyddar bakterierna från sin omgivning. Biofilm tuggar upp implantat som används i medicin och gör bakterier resistenta mot antibiotika. När alla tre medlemmarna i THOR växte ihop, samhället producerade två gånger så mycket biofilm och biofilmen varade längre än när Pseudomonas var ensam.

"Även när deras befolkning är liten, dessa andra arter ger upphov till större biofilmer, säger Handelsman.

Andra komplexa drag framkom också i THOR. Bacillusmedlemmen minskade produktionen av antibiotika från Pseudomonas, skydda Flavobacterium från deras effekter. Och de andra medlemmarna i THOR fick Bacillus -kolonierna att växa ut som grenar på ett träd, sprider sig över och runt de andra bakterierna i komplexa mönster.

Många ansträngningar att manipulera mikrobiomer är inriktade på att förbättra människors hälsa, och modellgemenskaper som THOR kan hjälpa forskare att förstå hur komplexa mikrobiella relationer kan ändras för att gynna oss.

Men THOR:s information om växtrötternas mikrobiom, rhizosfären, är lika viktigt. Rhizosfären hjälper till att limma ihop jorden, förhindrar erosion. Och jorden låser upp tre gånger mer kol än flyter i atmosfären, vilket gör den till en viktig del för att hantera klimatförändringarna. Att veta hur enskilda mikrober går ihop för att producera de rika, komplext beteende hos jordmikrobiomen kan vara en nyckel för att maximera nyttan vi får från dessa osynliga samhällen.

"Det är en av de mest kritiska relationerna vi har, säger Handelsman.

• Rutinundersökningar av kolorektal cancer och tidig upptäckt kan rädda liv
• Anti-vaccinationsaktivister missbrukar nya vetenskapliga genombrott på fördelaktiga mikrober