Исследователи из Иллинойса во главе с доцентом кафедры биоинженерии Тинг Лу (BCXT / BSD / CABBI / MME) продемонстрировали, что динамику этих сообществ можно объяснить и даже предсказать, изучив черту изменчивости социальных взаимодействий микробов. Лу и его соавторы, в том числе соавторы Фэн Лю и Джунвен Мао и заслуженный председатель инженерного дела Грейнджера Рашид Башир (ONC-PM / RBTE), поделились своей работой в Nature Communications.
«Конечная цель нашего исследования – разработать эффективные стратегии программирования состава и функциональности микробных сообществ», – сказал Лу.
Эту более широкую цель разделяет исследовательская группа Microbiome Metabolic Engineering в Carl R. Институт геномной биологии Вёзе, членом которого является Лу. "Но для достижения такого рода инженерных возможностей необходимо несколько ключевых шагов. Первый шаг – понять, как микробные сообщества меняются с течением времени, второй – предсказать динамику, а третий – спроектировать ее."
В настоящем исследовании группа Лу стремилась начать переход между первым и вторым этапами с точки зрения микробных взаимодействий, таких как конкуренция и сотрудничество, основных биотических движущих сил поведения сообщества.
«Появляется все больше свидетельств того, что микробные взаимодействия являются динамическими во времени, а не инвариантными», – сказал Лу. "Они часто меняются в зависимости от факторов окружающей среды, таких как pH, питательные вещества и стресс, а также субъективны по отношению к популяции микробов, вызывающих взаимодействия, и присутствию других видов."
«Но существует мало экспериментальных исследований, которые пытаются выяснить, как такие вариации влияют на структуру сообщества», – продолжил Лу. «Мы предполагаем, что эта форма изменчивости является важным фактором, регулирующим динамику сообщества, и что ее характеристика может помочь в прогнозировании сукцессии экосистемы снизу вверх."
Чтобы проверить гипотезы, Лу и его коллеги хотели использовать сообщества, в которых бактерии сотрудничают или конкурируют легко наблюдаемыми и контролируемыми способами.
Они обратились к синтетическим сообществам Lactococcus lactis, бактерии, которая помогает заквашивать молоко в сыр, из-за их меньшей сложности по сравнению с природными экологиями.
Одним из важных способов взаимодействия микробов является обмен производимыми ими соединениями – питательными веществами, химическими сигналами и даже токсинами, убивающими конкурентов.
Команда Лу создала два L. lactis, С? и C?, каждый из которых может производить одну субъединицу антимикробного пептида (небольшой белок), называемого низином.
"Каждый из штаммов способен продуцировать неактивную субъединицу. Однако, когда вместе, два штамма высвободили субъединицы, которые самоорганизуются в активный низин », – сказал Лу. Эксперименты подтвердили, что когда они объединились, спроектированный C? и C? действительно может сотрудничать в борьбе с Ks, другим штаммом, который производит свой собственный токсин.
Команда изучила результаты сообществ, сформированных C?, C? и Ks, и обнаружил, что увеличение вариации C? — C? сотрудничество, будь то измененное разделение рабочей силы или случайная выборка, превращает сообщество в отдельные структуры. Они также изучили сукцессию экосистемы при различных значениях pH окружающей среды, используя C?, C? и другой штамм, Kp, устойчивый к бактериоцину при определенных уровнях кислотности.
Их исследование показало, что, когда сотрудничество и конкуренция дополнительно модулируются pH, сукцессия экосистемы становится совместно управляемой вариациями обоих взаимодействий и дает более диверсифицированную динамику – некоторые сообщества со временем сильно изменились, в то время как другие оставались более стабильными.
Исследователи построили математические модели, которые явно включали вариативность взаимодействия в описание экосистемы.
"Просьба об интеграции эксперимента и моделирования была самой сложной частью [исследования].
Но это также была самая захватывающая часть, потому что модель, которая включала вариативность экспериментальных показателей, позволила нам правильно предсказать поведение [микробных сообществ] », – сказал Лу.
Команда надеется, что эта работа послужит основополагающим шагом к анализу, прогнозированию и проектированию сложных сообществ, таких как те, на которые мы полагаемся во многих человеческих усилиях и в нашем собственном здоровье. «В этом исследовании использовались простые синтетические консорциумы, – сказал Лу. – Мы с нетерпением ждем возможности работать с естественными сообществами . . . Надеюсь, изучая эти природные экологии, мы сможем установить основные правила организации сообщества и даже разработать технико-экономическое обоснование для разработки функциональности экосистемы."
Первый автор Фэн Лю также связан с Восточно-Китайским университетом науки и технологий; первый автор Цзюньвэнь Мао также работает физиком в университете Хучжоу.
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и Министерством энергетики.