В токсической микробной войне сила в количестве

В токсической войне между микробами сильнейший не всегда побеждает.

Новое исследование под руководством Корнеллского университета, в котором сравнивали штаммы дрожжей, генетически модифицированные для высвобождения разных токсинов с регулируемой скоростью, показало: штамм с более сильным токсином может победить другой, только если его начальная вторгающаяся популяция превышает критическую частоту или размер.

Исследование, опубликованное 6 декабря в журнале eLife, имеет значение для здоровья человека, поскольку наши тела являются хозяевами разнообразного микробиома. Некоторые из этих микробов, особенно в легких и кишечнике, выделяют токсины, чтобы предотвратить вторжение патогенных микробов извне, и таким образом могут помочь человеку бороться с инфекциями.

Исследования показали, что когда два микроба на поверхности сражаются друг с другом, они ведут себя подобно маслу и воде, образуя крупные кластеры, разделенные четко определенными границами. Андреа Джометто, доцент кафедры гражданского и экологического строительства и ведущий автор исследования, предположил, что причина может быть связана с нуклеацией — физическим процессом, приводящим к термодинамическому фазовому переходу или образованию самоорганизующейся структуры.

"Аналогичная идея — нуклеация — существует в физике давно. Но впервые мы наблюдаем ее в контексте динамики микробных популяций", — сказал Джометто, проводивший исследование с учеными из Гарвардского университета.

Джометто использует для описания концепции пример образования пузырьков в бокале шампанского. Пузырек углекислого газа может образоваться, только если в стекле есть дефект достаточного размера. Существует энергетическая стоимость создания границы раздела — будь то для пузырька или микробного кластера, и математика, лежащая в основе процесса, оказывается удивительно похожей.

Исследование показало, что микроб, производящий сильный токсин, может вторгнуться в популяцию микроба с более слабым токсином, только если начальный размер вторгающегося микроба — инокулум — достаточно велик. Если инокулум слишком мал, он в конечном итоге исчезает, даже несмотря на более сильный токсин.

Помимо эксперимента на плоских поверхностях, исследователи также провели испытания в пробирках, где две конкурирующие микробные популяции взаимодействовали в жидкой среде без четких границ между ними. В этих испытаниях был получен тот же результат — размер инокулума является определяющим фактором успеха вторжения.

Следующая серия исследований Джометто будет основана на редких и удивительных случаях мутаций штаммов, наблюдавшихся в исследовании, когда некоторые штаммы становились устойчивыми к токсинам или начинали производить другие.

"У нас есть математическая модель экологии, которая работает очень хорошо, пока не включается эволюция. Это ухудшает работу модели, и мы работаем над тем, чтобы включить эволюционную динамику в математическую модель", — сказал Джометто.

Работа Джометто и результирующие математические модели могут сыграть роль в будущих усилиях по управлению естественными микробными сообществами для экологических и медицинских приложений.