Конкуренция или сосуществование

Конкуренция внутри смешанных бактериальных популяций может порождать сложную динамику роста. Исследователи из LMU изучают взаимодействие между разными скоростями роста и стохастическими факторами в определении состава таких популяций.

Команда биофизиков LMU под руководством доктора Мадлен Опиц использовала комбинацию эксперимента и математической теории, чтобы понять изменяющийся состав смешанной бактериальной популяции, чьи штаммы конкурируют друг с другом. Результаты опубликованы в журнале PLOS Biology.

Модельная система

Исследователи изучили динамику роста в смешанной популяции, состоящей из двух штаммов Escherichia coli:

  • Один штамм способен синтезировать и выделять токсин КолицинE2.
  • Второй штамм чувствителен к этому токсину.

Усложняющие факторы

  1. Численное превосходство: В исходной популяции количество чувствительных к токсину клеток превышало количество продуцентов токсина в 100 раз.
  2. Не все продуценты активны: Не каждая потенциально продуцирующая клетка фактически синтезирует КолицинE2.
  3. Цена производства: Высвобождение токсина сопровождается гибелью клетки-продуцента.
  4. Разделение труда: Внутри штамма-продуцента возникает чёткое разделение: одни клетки производят токсин, а другие берут на себя задачу размножения.
  5. Влияние стресса: Доля клеток, принимающих каждую из этих ролей, частично определяется средой. Токсинообразование стимулируется в стрессовых условиях, которые исследователи создавали, добавляя в культуру различные концентрации антибиотика. Антибиотик активирует у бактерий SOS-функцию, которая запускает ответные меры и способствует выработке токсина (одновременно снижая общие темпы роста).

Результаты конкуренции

  • Без стресса (антибиотика): Обычно побеждал чувствительный штамм (изначально превосходивший в 100 раз), хотя также наблюдалось стабильное сосуществование обоих штаммов.
  • При низких уровнях антибиотика: Разделение труда внутри популяции продуцентов давало ей решающее преимущество, и в подавляющем большинстве случаев победителем выходил именно этот штамм.

Роль случайности

Хотя распределение «ответственности» за размножение и производство токсина определяет возможные исходы, конкретный результат каждой конкуренции решается в первые несколько часов после инокуляции культуры.

  • «Решение» отдельной бактериальной клетки производить ColE2 — случайное событие.
  • Эти статистические флуктуации создают «шум», затрудняющий точные прогнозы математических моделей для отдельных итераций процесса.
  • Количество потенциально токсин-продуцирующих клеток (1 или 4), случайно попавших в начальный инокулят, оказывает важное влияние на исход конкуренции.

«Захватывающе наблюдать, как выбор, продиктованный случайными событиями среди небольшого количества бактерий, присутствующих в культуре вначале, может так сильно повлиять на состав гораздо большей популяции клеток в гораздо более позднее время», — отмечает первый автор Бенедикт фон Бронк.