Инженерная модификация нескольких штаммов бактерий меняет антагонистические взаимодействия на более сбалансированные консорциумы
Исследователи из Института Висса, Гарвардской медицинской школы (HMS) и Женской больницы Бригама (BWH) сделали шаг к созданию бактериальных консорциумов с контролируемыми взаимодействиями. В статье в mSystems они сообщили об успешной модификации четырех штаммов бактерий, в результате чего их взаимодействия стали более взаимовыгодными, а численность — сбалансированной, в том числе в кишечнике живых мышей.
Ключевой подход: перекрестное питание аминокислотами
Чтобы заставить бактерии «сотрудничать», ученые генетически модифицировали их геномы:
- Каждый из четырех штаммов (E. coli, S. Typhimurium, B. thetaiotaomicron и B. fragilis) лишили возможности синтезировать три необходимые аминокислоты.
- При этом каждый штамм был запрограммирован на сверхпродукцию одной из четырех аминокислот: метионина, гистидина, триптофана или аргинина.
- Таким образом, для выживания каждому штамму требовалось присутствие трех других, поставляющих недостающие «кирпичики».
Результаты экспериментов
- In vitro тесты: Модифицированные штаммы, культивируемые вместе, демонстрировали сбалансированный рост (примерно равные пропорции), хотя и с меньшей общей численностью по сравнению с немодифицированным консорциумом.
- Тесты на устойчивость: В экспериментах с десятикратным снижением стартовой популяции одного из штаммов, модифицированные S. Typhimurium и B. theta восстанавливали свою численность. В немодифицированном консорциуме «выбитый» штамм не восстанавливался.
- Изменение взаимодействий: В немодифицированном консорциуме отсутствие одного штамма приводило к чрезмерному росту другого (конкуренция). В модифицированном — пропорции оставшихся видов существенно не менялись, а потеря B. fragilis негативно влияла на рост E. coli и S. Typhimurium, что указывает на переход к взаимовыгодным отношениям.
- Эксперименты in vivo: Консорциум модифицированных бактерий демонстрировал большую равномерность (evenness) видов и в пробирке, и при заселении в кишечник стерильных мышей, даже в средах с низким содержанием аминокислот.
Значение и перспективы
- Первый автор Мартика Зизак: Подталкивание бактерий к взаимовыгодным взаимодействиям повышает устойчивость и жизнеспособность всего консорциума, что открывает путь к созданию синтетических сообществ для здоровья кишечника и биопроизводства.
- Соавтор-корреспондент Памела Сильвер: Взаимодействия в сети не были полностью симметричными (E. coli и S. Typhimurium «паразитировали» на видах Bacteroides). Дальнейшая работа будет направлена на оптимизацию уровней продукции и потребления аминокислот для улучшения общей приспособленности консорциума.
- Соавтор-корреспондент Георг Гербер: Введение «дружественных» взаимодействий — ключевой шаг к контролю над консорциумами для медицинских приложений, предотвращению доминирования одного вида или потери ключевых членов.
- Будущие направления: Создание каскадных взаимодействий, где соединение последовательно модифицируется разными штаммами, для эффективного биопроизводства целевых химических веществ.
Это исследование представляет собой важный шаг к рациональному проектированию стабильных бактериальных сообществ для применения в медицине и биотехнологии.