Novi model prikazuje, kako se bakterije obnašajo v več scenarijih s skupnimi prostorskimi vzorci

Bakterije so povsod okoli nas-; ne samo v kopalnicah ali kuhinjskih pultih, ampak tudi v našem telesu, vključno s tumorji, kjer mikrobiota pogosto uspeva. Te "majhne ekologije" so lahko ključ do terapij z zdravili proti raku, spoznavanje več o njih pa lahko pomaga pri razvoju novih zdravil, ki rešujejo življenje.

Kaj se zgodi, ko so v istem sistemu prisotni različni sevi bakterij? Ali soobstajajo? Ali najmočnejši preživijo? V mikrobni igri škarij za kamen, papir, raziskovalci na Inštitutu za biokroge Univerze v Kaliforniji v San Diegu so odkrili presenetljiv odgovor.

Njihove ugotovitve, z naslovom "Preživetje najšibkejših pri neprehodnih asimetričnih interakcijah med sevi E. coli, "se je pojavil v nedavni izdaji Nature Communications .

Raziskovalno skupino so sestavljali profesor bioinženiringa in molekularne biologije Jeff Hasty; Michael Liao in Arianna Miano, oba podiplomska študenta bioinženiringa; in Chloe Nguyen, dodiplomski študij bioinženiringa. Izdelali so tri vrste E. coli (Escherichia coli) tako da je vsak sev proizvedel toksin, ki bi lahko ubil drug sev, tako kot igra škarj za kamen.

Na vprašanje, kako je prišlo do poskusa, Hasty je komentiral, "V sintetični biologiji, Za kompleksna genska vezja so značilne bakterije, ki rastejo v dobro mešanih tekočih kulturah. Vendar pa številne aplikacije vključujejo celice, katerih rast je omejena na površini. Želeli smo razumeti vedenje malih inženirskih ekologij, ko interakcijske vrste rastejo v okolju, ki je bližje temu, kako bodo bakterije verjetno kolonizirale človeško telo. "

Raziskovalci so mešali tri populacije skupaj in jim pustili, da na posodi rastejo več tednov. Ko so preverili, so opazili, v več poskusih, ista populacija bi prevzela celotno površino; in ni bila najmočnejša (sev z najmočnejšim toksinom).

Zanimajo ga možni razlogi za ta izid, zasnovali so poskus, da bi razkrili skrito dinamiko.

Obstajali sta dve hipotezi:zmagala bo srednja populacija (imenovana "sovražnik najmočnejših" kot sev, ki bi ga napadli najmočnejši) ali pa bi zmagala najšibkejša populacija. Njihov poskus je pokazal, presenetljivo, druga hipoteza je bila resnična:najšibkejša populacija je dosledno prevzela ploščo.

Če se vrnem k analogiji kamen-papir-škarje, če predpostavimo "rock" sev E.coli ima najmočnejši toksin, bo hitro ubil sev "škarje". Ker je bil škarjast sev edini sposoben ubiti sev "papirja", papirna seva zdaj nima sovražnikov. V določenem časovnem obdobju se lahko počasi razjedajo s kamnine, medtem ko se skalni sev ne more braniti.

Da bi razumeli mehanizem tega pojava, raziskovalci so razvili tudi matematični model, ki bi lahko simuliral spopade med tremi populacijami tako, da bi začel z najrazličnejšimi vzorci in gostotami. Model je lahko pokazal, kako so se bakterije obnašale v več scenarijih s skupnimi prostorskimi vzorci, kot so proge, izoliranih grozdov in koncentričnih krogov.

Šele ko so bili sevi sprva razporejeni po vzorcu koncentričnih obročev z najmočnejšim na sredini, ali je bilo mogoče, da je najmočnejši sev prevzel ploščo.

Ocenjuje se, da v človeškem telesu število mikrobov presega človeških celic 10 do 1, številne bolezni pa pripisujejo neravnovesju v različnih mikrobiomih. Neravnovesja v črevesnem mikrobiomu so povezana z več presnovnimi in vnetnimi motnjami, raka in celo depresije.

Sposobnost ustvarjanja uravnoteženih ekosistemov, ki lahko sobivajo dlje časa, lahko sintetičnim biologom omogoči nove zanimive možnosti in nove zdravstvene oskrbe.

Raziskava, ki jo izvaja skupina Hasty, bi lahko pomagala postaviti temelje nekega dne inženirju zdravih sintetičnih mikrobiomov, ki jih je mogoče uporabiti za dostavo aktivnih spojin za zdravljenje različnih presnovnih motenj ali bolezni in tumorjev.

Prorektorica za raziskave Sandra Brown je dejala, "Združevanje molekularne biologije in bioinženiringa je omogočilo odkritje s potencialom za izboljšanje zdravja ljudi po vsem svetu. To je odkritje, ki se morda nikoli ne bi zgodilo, če ne bi sodelovali skupaj. To je še en dokaz moči UC San Diegove multidisciplinarne raziskave. "

Inštitut BioCircuits (BCI) je multidisciplinarna raziskovalna enota, ki se osredotoča na razumevanje dinamičnih lastnosti bioloških regulatornih vezij, ki segajo na lestvice biologije, od znotrajceličnih regulacijskih modulov do populacijske dinamike in delovanja organov.

BCI si prizadeva razviti in potrditi teoretične in računske modele za razumevanje, napovedati, in nadzorujejo kompleksne biološke funkcije. Inštitut sestavlja več kot 50 fakultet iz UC San Diego in drugih lokalnih institucij, vključno s Scripps Research, Inštitut Salk, in Sanford-Burnham Medical Research Institute.

• Raziskovalci ugotavljajo ključne dejavnike za zagotovitev uspešne presaditve fekalne mikrobiote
• Modulacija ustne mikrobiote vpliva na kardiovaskularne koristi športa