Миролюбивые микробы выживают агрессивных конкурентов в суровых и нестабильных условиях

Исследователи из Корнеллского университета выяснили, что в суровых или часто нарушаемых средах мирные микробы имеют больше шансов на процветание, а их агрессивные конкуренты — на вымирание.

Ключевой вопрос и методология

Основной вопрос исследования: когда антагонистическое поведение (производство токсинов против конкурентов) выгодно, а когда — пагубно? Учёные смоделировали динамику "бумов и спадов" (boom-and-bust), характерную для сред вроде микробиома кишечника после приёма антибиотиков.

Эксперименты проводились с двумя штаммами дрожжей Saccharomyces cerevisiae: "убийцей" (антагонистическим) и "чувствительным" (неантагонистическим). Культуры ежедневно разбавляли, измеряя выживаемость клеток каждого штамма.

Результаты

• При частом разбавлении среды (каждый день) неантагонистические клетки оказывались в лучшем положении, чем при редком разбавлении (каждые 48 часов).
• Компьютерное моделирование показало, что случайность времени нарушений (разбавления) даёт антагонистам существенное преимущество, если они используют селективные стратегии, например, чувство кворума (quorum sensing), для производства токсина в ответ на конкретные сигналы.
• При предсказуемых, регулярных нарушениях польза от такой избирательности значительно меньше.

Значение и выводы

Исследование помогает понять компромисс между метаболической стоимостью антагонизма и его конкурентными преимуществами. Это может повлиять на будущий дизайн пробиотиков, способных эффективно бороться с инфекциями, регулируя агрессивное поведение в ответ на состав сообщества и условия среды.

Как отмечают авторы, фокус на вреде другим отнимает время и энергию, которые можно было бы потратить на собственный рост или размножение. Долгосрочная выгода антагонистического поведения — тонкий вопрос, ответ на который сильно зависит не только от типа конкурентов и усреднённых свойств среды, но и от того, как эта среда меняется во времени.

Публикация: Proceedings of the National Academy of Sciences
Ведущий автор: MingYi Wang, M.S. '21, Ph.D. '24
Старшие авторы: Andrea Giometto (ассистент-профессор гражданской и экологической инженерии) и Alexander Vladimirsky (профессор математики).