Новый инструмент для анализа «метаболического диалога» микроорганизмов

Ученые из Института селекции растений Общества Макса Планка разработали инновационную систему MetaFlowTrain, которая позволяет изучать метаболический обмен и взаимодействия внутри микробных сообществ в различных условиях окружающей среды. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Микробные сообщества состоят из групп микроорганизмов, таких как бактерии, грибы и другие микроскопические формы жизни, которые сосуществуют в определенных средах. Эти сообщества играют ключевую роль в круговороте питательных веществ, динамике пищевых сетей и деградации загрязнителей в экосистемах. Они также необходимы для поддержания здоровья растений, животных и человека, улучшая усвоение питательных веществ, укрепляя иммунную систему и защищая от вредных патогенов.

Микроорганизмы взаимодействуют как с окружающей средой, так и друг с другом не только через физический контакт, но и посредством обмена метаболитами. Эти так называемые экзометаболиты — небольшие молекулы, выделяемые микроорганизмами в окружающую среду, такие как аминокислоты, органические кислоты, спирты и вторичные метаболиты. Они играют решающую роль в формировании микробных сообществ, влияя на взаимодействия через кооперацию и конкуренцию.

В этих высокодинамичных системах ученым было сложно определить, какие именно микроорганизмы производят конкретные метаболиты и как эти метаболиты влияют на других членов сообщества.

Команда Стефана Акара, изучающая взаимодействия в растительных микробных сообществах, пришла к выводу, что разделение микроорганизмов позволит исключить эффекты физического контакта, и тогда оставшиеся явления можно будет отнести исключительно к обмену метаболитами и сигналами.

Результатом этой идеи стала MetaFlowTrain — специальная флюидная система, которая позволяет ученым помещать разные микроорганизмы в специальные 3D-печатные микрокамеры. Эти микрокамеры окружены фильтрами, которые пропускают обмен метаболитами, но предотвращают перенос самих микроорганизмов. Камеры могут работать автономно или быть соединены в серию (например, как поезд с разными вагонами), каждый из которых содержит разные группы микроорганизмов.

Например, поместив бактерии в первую камеру, а грибы — во вторую, ученые могут наблюдать, как бактерии влияют на грибы, и наоборот, просто меняя камеры местами.

Постоянный поток свежей питательной среды, соединяющий камеры, позволяет вводить в систему различные стресс-факторы и предотвращает истощение питательных веществ в микрокамерах. Это ключевое новшество для выявления новых микробных экзометаболитов с биоактивными или сигнальными свойствами, которые формируют микробные сообщества.

MetaFlowTrain проста в сборке, доступна по цене и обладает огромным потенциалом для идентификации молекул, опосредующих взаимодействия «микроб–микроб» и «микроб–хозяин». В частности, ученые теперь могут лучше «подслушивать» метаболические диалоги, которые управляют кооперацией или конкуренцией в микробных сообществах.

Кроме того, использование возможностей системы для открытия новых антимикробных средств, подавляющих разрушительные патогены растений, открывает новые возможности для устойчивого сельского хозяйства и защиты урожая. Система также может быть использована для идентификации природных соединений для медицины и других областей.

«Ошеломляющее разнообразие молекул, производимых микробами, является результатом миллионов лет эволюции. Эти молекулы выполняют различные функции, которые помогают сообществам выживать, адаптироваться и процветать в различных условиях. Понимание функций и механизмов действия некоторых из этих молекул будет двигать сельскохозяйственные инновации», — говорит Акар.