Исследователи надеются, что их новая модель заложит основу для других, чтобы лучше моделировать и предсказывать, как важные черты, такие как устойчивость к антибиотикам патогенов или метаболические способности бактерий, выведенных для очистки окружающей среды, будут распространяться и расти в данной среде.
Результаты появятся в Интернете 4 ноября в журнале Nature Communications.
В дополнение к дарвиновскому процессу передачи генов, важных для выживания, от родителей к потомству, бактерии также участвуют в процессе, называемом горизонтальной передачей генов. Бактерии постоянно делятся генетическими рецептами новых способностей у разных видов, обмениваясь друг с другом разными пакетами генетического материала, называемыми плазмидами.
«При исследовании только одной бутылки с морской водой было обнаружено 160 видов бактерий, обменивающихся 180 различными плазмидами», – сказал Линчонг Ю, профессор биомедицинской инженерии в Duke. "Даже в одной бутылке воды использование современных методов для моделирования мобильности плазмид намного превзойдет коллективные вычислительные мощности всего мира. Мы разработали систему, которая упрощает модель, сохраняя при этом ее способность точно предсказывать возможные результаты."
Однако возможность того, что любой из этих генетических пакетов станет обычным явлением для данной популяции или среды, далеко не определена. Это зависит от широкого круга переменных, таких как скорость обмена пакетами, как долго бактерии выживают, насколько полезна новая ДНК, каковы компромиссы для этих преимуществ и многое другое.
Возможность предсказать судьбу такого генетического пакета может помочь во многих областях – возможно, в первую очередь, в распространении устойчивости к антибиотикам и способах борьбы с ней. Но модели, необходимые для этого в реалистичном сценарии, слишком сложны для решения.
«Самая сложная система, которую мы когда-либо могли смоделировать математически, – это три вида бактерий, разделяющих три плазмиды», – сказал Ю. «И даже тогда нам пришлось использовать компьютерную программу только для создания уравнений, потому что иначе мы бы слишком запутались с количеством необходимых терминов."
В новом исследовании Ю и его аспирант Тэн Ван создали новую структуру, которая значительно снижает сложность модели по мере добавления большего количества видов и плазмид.
При традиционном подходе каждая популяция делится на несколько субпопуляций в зависимости от того, какие плазмиды они несут. Но в новой системе эти субпопуляции вместо этого объединены в одну.
Это резко сокращает количество переменных, которое увеличивается линейно по мере добавления новых бактерий и плазмид, а не экспоненциально.
Этот новый подход позволил исследователям вывести единый управляющий критерий, который позволяет предсказать, будет ли плазмида сохраняться в данной популяции. Он основан на пяти важных переменных: стоимость новой ДНК для бактерий, как часто теряется ДНК, как быстро популяция разбавляется потоком, проходящим через популяцию, как быстро происходит обмен ДНК между бактериями и как быстро население в целом растет.
Имея в руках измерения этих переменных, исследователи могут рассчитать "устойчивость плазмиды в популяции"."Если это число больше единицы, генетический пакет выживет и распространится, а большее число приведет к большему изобилию. Если меньше единицы, он уйдет в небытие.
«Несмотря на то, что модель упрощена, мы обнаружили, что она достаточно точна при определенных ограничениях», – сказал Ван. «Пока новая ДНК не возлагает слишком большую нагрузку на бактерии, наша новая структура будет успешной."
Вы и Ван протестировали свой новый подход к моделированию, создав несколько различных синтетических сообществ, каждое из которых содержит разные штаммы бактерий и генетические пакеты для обмена.
После проведения экспериментов они обнаружили, что результаты вполне соответствуют ожиданиям их теоретической базы. И чтобы приложить дополнительные усилия, исследователи также взяли данные из 13 ранее опубликованных статей и проверили свои цифры. Эти результаты также подтвердили их новую модель.
«Критерий устойчивости плазмиды дает нам надежду на то, что мы сможем использовать его в новых приложениях», – сказал Ю. "Это может помочь исследователям создать микробиом, контролируя генетический поток для достижения определенной функции. Или он может дать нам руководство о том, какие факторы мы можем контролировать, чтобы устранить или подавить определенные плазмиды из бактериальных популяций, например, те, которые ответственны за устойчивость к антибиотикам."
Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (R01A1125604, R01GM110494) и Фондом Дэвида и Люсиль Паккард.