Ny modell visar hur bakterier beter sig i flera scenarier med vanliga rumsmönster

Bakterier finns runt omkring oss; inte bara i badrum eller köksbänkar, men också inuti våra kroppar, inklusive i tumörer, där mikrobiota ofta blomstrar. Dessa "små ekologier" kan innehålla nyckeln till läkemedel mot cancer och att lära sig mer om dem kan hjälpa till att utveckla nya livräddande behandlingar.

Vad händer när olika bakteriestammar finns i samma system? Existerar de tillsammans? Överlever de starkaste? I ett mikrobiellt spel av rock-paper-sax, forskare vid University of California San Diego BioCircuits Institute avslöjade ett överraskande svar.

Deras fynd, med titeln "Överlevnad av de svagaste i icke-transitiva asymmetriska interaktioner mellan stammar av E. coli, "dök upp i en ny utgåva av Naturkommunikation .

Forskargruppen bestod av professor i bioingenjör och molekylärbiologi Jeff Hasty; Michael Liao och Arianna Miano, både bioingenjörsexamen; och Chloe Nguyen, en bioingenjörsexamen. De konstruerade tre stammar av E. coli (Escherichia coli) så att varje stam producerade ett toxin som kunde döda en annan stam, precis som en omgång rock-paper-sax.

På frågan om hur experimentet uppstod, Hastig kommenterade, "Inom syntetisk biologi, komplexa genkretsar kännetecknas typiskt av bakterier som växer i välblandade vätskekulturer. Dock, många applikationer involverar celler som är begränsade att växa på en yta. Vi ville förstå beteendet hos små konstruerade ekologier när de växelverkande arterna växer i en miljö som ligger närmare hur bakterier sannolikt kommer att kolonisera människokroppen. "

Forskarna blandade ihop de tre populationerna och lät dem växa på ett fat i flera veckor. När de kollade tillbaka märkte de att över flera experiment, samma befolkning skulle ta över hela ytan-; och det var inte det starkaste (stammen med det mest potenta toxinet).

Nyfiken på de möjliga orsakerna till detta resultat, de utarbetade ett experiment för att avslöja den dolda dynamiken i spel.

Det fanns två hypoteser:antingen skulle medelbefolkningen (kallad "de starkas fiende" som belastningen som de starkaste skulle attackera) eller så skulle den svagaste befolkningen vinna. Deras experiment visade att förvånande, den andra hypotesen var sann:den svagaste befolkningen tog konsekvent över plattan.

Gå tillbaka till rock-paper-sax-analogin, om vi antar "rock" -stammen av E coli har det starkaste toxinet, det kommer snabbt att döda "sax" -stammen. Eftersom saxstammen var den enda som kunde döda "pappers" -stammen, pappersstammen har nu inga fiender. Det är fritt fram att äta upp stenstammen långsamt under en viss tid, medan bergstammen inte kan försvara sig.

För att förstå mekanismen bakom detta fenomen, forskarna utvecklade också en matematisk modell som kunde simulera slagsmål mellan de tre populationerna genom att utgå från en mängd olika mönster och densiteter. Modellen kunde visa hur bakterierna betedde sig i flera scenarier med vanliga rumsmönster som ränder, isolerade kluster och koncentriska cirklar.

Först när stammarna initialt fördelades i mönstret av koncentriska ringar med de starkaste i mitten, var det möjligt för den starkaste stammen att ta över plattan.

Det beräknas att mikrober är fler än mänskliga celler 10 till 1 i människokroppen och flera sjukdomar har tillskrivits obalanser inom olika mikrobiomer. Obalanser i tarmmikrobiomet har kopplats till flera metaboliska och inflammatoriska störningar, cancer och till och med depression.

Möjligheten att konstruera balanserade ekosystem som kan samexistera under lång tid kan möjliggöra spännande nya möjligheter för syntetiska biologer och nya vårdbehandlingar.

Den forskning som Hastys grupp bedriver kan hjälpa till att lägga grunden för att en dag utveckla friska syntetiska mikrobiomer som kan användas för att leverera aktiva föreningar för att behandla olika metaboliska störningar eller sjukdomar och tumörer.

Rektor för forskning Sandra Brown sa, "Att sammanföra molekylärbiologi och bioningenjör har möjliggjort upptäckt med potential att förbättra människors hälsa runt om i världen. Detta är en upptäckt som kanske aldrig har inträffat om de inte arbetade tillsammans. Detta är ytterligare ett bevis på kraften i UC San Diego's tvärvetenskapliga forskning. "

BioCircuits Institute (BCI) är en tvärvetenskaplig forskningsenhet som fokuserar på att förstå de dynamiska egenskaperna hos biologiska reglerande kretsar som spänner över biologins skalor, från intracellulära regleringsmoduler till populationsdynamik och organfunktion.

BCI försöker utveckla och validera teoretiska och beräkningsmodeller för att förstå, förutspå, och kontrollera komplexa biologiska funktioner. Institutet består av över 50 lärare från UC San Diego och andra lokala institutioner, inklusive Scripps Research, Salk Institute, och Sanford-Burnham Medical Research Institute.

• Forskare identifierar nyckelfaktorer för att säkerställa framgångsrika fekala mikrobiottransplantationer
• Modulation av oral mikrobiota påverkar sportens kardiovaskulära fördelar