Обмануть обманщиков: как социальные взаимодействия бактерий помогут бороться с патогенами
Новое исследование, которое будет опубликовано в Current Biology 28 июня, предлагает стратегии для провоцирования коллапса бактериальных популяций путем манипуляции социальными взаимодействиями у патогена человека Pseudomonas aeruginosa — бактерии, вызывающей хронические инфекции легких.
Команда под руководством Карины Ксавьер из Института Гульбенкяна де Сьенсия (IGC, Португалия) нашла новые способы усилить так называемое «поведение обманщика» в бактериальных сообществах, что может привести к краху популяции, просто изменяя химический состав среды.
Подобно человеческим обществам, бактерии живут сообществами и взаимодействуют для лучшей адаптации к среде. Они часто производят соединения, которые ведут себя как общественные блага, так как секретируются в окружающую среду и потребляются всей популяцией. Однако некоторые бактерии несут мутации, препятствующие производству этих благ. Такие бактерии-мутанты действуют как обманщики, пользуясь общественными благами, не участвуя в их производстве.
«Бактериальные популяции, как и человеческие общества, имеют обманщиков — “граждан”, которые не работают, но полагаются на социальные блага, предоставляемые налогоплательщиками. Если обманщиков много, вся система рушится. То же происходит с бактериями. Бактерии-обманщики получают выгоду от соединений, произведенных другими бактериями, не неся затрат. Поскольку обман позволяет им экономить энергию, они могут расти больше и быстрее. В конечном итоге они могут превзойти по численности бактерий-производителей, что приведет к вымиранию популяции, так как общественных благ перестанет хватать всем», — объясняет первый автор исследования Озхан Озкая.
Было известно, что популяция может рухнуть в присутствии одного типа обманщика. Но в инфицированном организме популяция может содержать мутантов, дефицитных по производству разных соединений. Что происходит, если в игре участвуют несколько разных обманщиков?
Чтобы изучить эти социальные взаимодействия, команда использовала Pseudomonas aeruginosa — оппортунистический патоген, инфицирующий легкие и часто встречающийся у пациентов с муковисцидозом. Хронические инфекции, вызванные этой бактерией, часто содержат бактериальных мутантов.
Исследователи выращивали в пробирках и чашках Петри нормальные P. aeruginosa и два типа мутантов, неспособных производить два разных общественных блага. Они обнаружили, что взаимодействия между этими двумя типами мутантов и нормальными бактериями могут предотвращать коллапс популяции.
«Наши результаты показывают, что когда обманщики обманывают друг друга, коллапс популяции, который мог быть вызван одним обманщиком, может быть предотвращен, и популяция может оставаться стабильной дольше. Это хорошо с точки зрения бактерий, но плохая новость, если вы хотите очистить организм от патогена», — говорит Озхан Озкая.
Чтобы предсказать, как изменить судьбу популяций с разными обманщиками, исследователи создали простую математическую модель. Результаты показали, что для изменения стабильных взаимодействий между разными обманщиками и кооператорами необходимо изменить стоимость производства общественных благ.
Эксперименты в лаборатории подтвердили, что, изменяя питательные вещества, предоставляемые бактериям, можно изменить стоимость этих кооперативных действий и привести стабильную популяцию к вымиранию.
«В последние годы мы значительно продвинулись в понимании того, как бактерии взаимодействуют друг с другом. Этот новый подход позволил нам разработать прогнозы и представления о том, как бактериальные сообщества могут выигрывать или страдать от кооперации или обмана. По моему мнению, новые препараты, блокирующие социальное поведение бактерий, возможно, в комбинации с традиционными антибиотиками, будут более эффективны в очистке от инфекций и станут решением проблемы антибиотикорезистентности», — говорит Карина Ксавьер.
Использование экономики для понимания микробиологии
Теории из экономики могут помочь понять поведение сообществ других организмов. Исследователи используют экономические концепции, такие как «Трагедия общин» и «Дилемма общественного блага», для изучения социальных взаимодействий бактерий. Эти концепции предсказывают, что общества могут страдать от индивидуального выбора, пренебрегающего благополучием сообщества в погоне за личной выгодой. Именно это наблюдается в бактериальных сообществах, содержащих мутантов, дефицитных по производству соединений, используемых всем сообществом.
Данное исследование наглядно показывает, как такое понимание можно использовать для разработки стратегий манипуляции бактериальными патогенами.