Обратная инженерия динамики микробных сообществ: исследователи создают свои собственные

Исследователи из Университета Иллинойса под руководством адъюнкт-профессора биоинженерии Тин Лу продемонстрировали, что динамику микробных сообществ можно объяснить и даже предсказать, изучая вариабельность социальных взаимодействий между микроорганизмами. Работа опубликована в Nature Communications.

Цель и гипотеза

  • Конечная цель — разработать стратегии для программирования состава и функций микробных сообществ.
  • Гипотеза: вариативность взаимодействий (кооперации и конкуренции) является ключевым фактором, регулирующим динамику сообщества, и её характеристика позволяет предсказывать экологическую сукцессию «снизу вверх».

Экспериментальный подход

Для проверки гипотезы использовались синтетические сообщества на основе Lactococcus lactis (бактерия для производства сыра) из-за их управляемой сложности.

  1. Созданы два штамма Cα и Cβ, каждый из которых производит одну неактивную субъединицу антимикробного пептида низина.
  2. При совместном культивировании субъединицы самоорганизуются в активный низин, позволяя штаммам кооперироваться против третьего штамма Ks, производящего собственный токсин.

Ключевые результаты

  • Увеличение вариативности кооперации Cα–Cβ (за счёт изменения распределения «труда» или случайной выборки) приводит к формированию различных структур сообщества.
  • При введении фактора окружающей среды (pH) и штамма Kp, устойчивого к бактериоцину при определённой кислотности, сукцессия экосистемы начинает совместно контролироваться вариациями и кооперации, и конкуренции.
  • Это порождает более разнообразную динамику: одни сообщества со временем резко менялись, другие оставались стабильными.

Моделирование и выводы

Исследователи построили математические модели, явно включающие вариабельность взаимодействий.

«Модель, которая включала изменчивость, измеренную в экспериментах, позволила нам правильно предсказать поведение микробных сообществ», — отметил Тин Лу.

Это исследование на простых синтетических консорциумах — шаг к анализу, прогнозированию и инженерии сложных природных сообществ, от которых зависят многие сферы человеческой деятельности и здоровье.