Бактерии холеры предсказуемо атакуют и отравляют врагов

Две армии бактерий холеры, вооружённые отравленными гарпунами, атаковали друг друга, разрывая жертв. Учёные из Технологического института Джорджии математически смоделировали эту битву за ресурсы и территорию, чтобы получить данные, которые в будущем могут привести к созданию новых целевых методов борьбы с инфекциями.

В таком сценарии дуэльные бактерии будут не возбудителями болезни, а лекарством. Теоретически, специально созданные бактерии-убийцы, безопасные для человека, могли бы уничтожать вредные бактерии, не трогая полезные микробы. В отличие от современных антибиотиков, которые уничтожают и вредные, и полезные бактерии.

Математика для бактерий

Чтобы использовать бактерии в медицине или промышленности, важно определить постоянство их действий во времени. Исследователи применили к бактериям существующие физические уравнения, разработанные для описания взаимодействий атомов и молекул. Эти расчёты точно предсказали, что две армии холеры разделятся на фазы, подобно маслу и воде, при встрече на «поле боя».

Модели почти идеально предсказали, когда произойдёт фазовое разделение, что и было подтверждено экспериментально. Взаимодействия бактерий оказались почти такими же вычислимыми, как химические реакции.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications 6 февраля 2017 года. Финансирование осуществлялось Национальным научным фондом, программой NASA Exobiology, Фондом Гордона и Бетти Мур, Wellcome Trust и Программой по исследованию границ человека.

Механизм атаки

Бактерии холеры (Vibrio cholerae) обычно обитают в воде на панцирях крабов и криля. Материал панциря — хитин — включает у Vibrio cholerae функцию «гарпуна». Без хитина атаки не происходит.

Ядовитое оружие называется системой секреции VI типа (T6SS) и встречается примерно у четверти грамотрицательных бактерий. Считается, что бактерии используют эти гарпуны для убийства бактерий-конкурентов, а не клеток человека. Более тонкие стенки грамотрицательных бактерий уязвимы для проколов, в отличие от грамположительных бактерий или клеток человека.

Вооружены и щедры

Холерные бактерии, вооружённые гарпунами, атакуют случайным образом все бактерии, с которыми сталкиваются, но особи одного штамма невосприимчивы к атакам друг друга. Таким образом, они убивают врагов, но не своих сородичей.

Убийство, по-видимому, связано с кооперативным социальным поведением. Бактерии, которые хорошо убивают вместе, также хорошо делятся ресурсами и строят сообщество. Исследование геномов различных бактерий, использующих ядовитые гарпуны, показало корреляцию между вооружённостью и склонностью к кооперации: чем больше оружия в геноме штамма, тем больше он склонен к обмену.

Математика металлов применима

Под микроскопом сражающиеся штаммы бактерий, окрашенные в разные цвета (например, красный и синий), выглядели как смесь масла и воды. Вначале, будучи хорошо смешанными, они образовывали единую фиолетовую массу. По мере взаимного уничтожения и захвата территорий они разделялись на красные и синие скопления.

Хотя между химическими и живыми системами есть различия (бактерии размножаются, молекулы — нет), базовая математика, работающая для материалов, сработала и для бактерий. Тип кривой, описывающей результаты, ранее использовался для описания металлов, подвергающихся фазовому разделению.

Прогностические модели, основанные на уравнениях «Модели А», оказались чрезвычайно точными: математические симуляции почти идеально совпали с наблюдаемыми данными.

Будущее применение?

В кишечнике человека многие полезные бактерии являются грамположительными. Если небольшая группа грамотрицательных бактерий нарушает сообщество, возможно, созданные бактерии с гарпунами смогут уничтожить именно их.

Кроме того, внешний материал, такой как хитин, который включает функцию гарпуна у бактерий холеры, можно давать вместе с бактериями-убийцами, чтобы активировать их оружие, а затем деактивировать, когда хитин исчезнет.