На поле боя микробов, где микроорганизмы часто пытаются уничтожить конкурентов, производя различные токсины, иногда полезно быть пацифистом. Исследователи из Корнелльского университета с Центром прикладной математики обнаружили, что миролюбивые микробы с большей вероятностью будут процветать, в то время как их более агрессивные собратья погибают, если среда обитания сурова или подвержена резким изменениям.
Выводы были опубликованы в «Proceedings of the National Academy of Sciences». Ведущий автор статьи — Минъи Ван, магистр наук 2021 года, доктор философии 2024 года.
«Главный вопрос, который мы ставили перед собой: когда антагонистическое поведение выгодно, а когда — вредно?» — сказала Андреа Джиометто, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Корнелльском университете и один из старших авторов статьи.
Антагонистическое поведение микробов
Микробы часто платят метаболическую цену за проявление антагонистического поведения, поэтому им приходится вкладывать в это определённую энергию. Особенно когда есть возможности для роста и вокруг ещё очень мало микробов, на самом деле может быть лучше перенаправить эту энергию на более быстрое деление.
Проект стартовал, когда Ван, тогда ещё докторант по прикладной математике, прослушал курс Джиометто «Стохастическое моделирование сложных систем», в котором использовались примеры из биологии и экологии для изучения процессов, в которых случайность играет существенную роль.
Ван также привлёк своего научного руководителя Александра Владимирского, профессора математики в Колледже искусств и наук. «Он вернулся ко мне и сказал: „Эй, есть замечательная область, где наши математические инструменты могут быть полезны“», — сказал Владимирский, который является одним из старших авторов статьи. «Это и стало началом нашего с Андреа разговора».
Микробный антагонизм помогает микробам утвердиться и победить соперников, что может принести пользу их хозяевам, защищая от патогенов, и может помочь людям в целом, предоставляя антимикробные соединения для борьбы с инфекциями. Но то, как эта конкуренция разворачивается, может варьироваться в зависимости от того, где, когда и как долго она происходит.
Антагонистические микробы, как правило, побеждают своих менее агрессивных собратьев в лабораторных условиях без нарушений, но всё наоборот, когда среда обитания нестабильна. Это может включать в себя среды, которые в основном благоприятны, но подвержены частым резким изменениям, например, когда микробиом кишечника нарушается из-за приёма антибиотиков или когда человек удаляет зубной налёт.
Исследователи решили воспроизвести эту динамику «взлётов и падений». Каждый день команда выращивала «агрессивный» и «чувствительный» штаммы Saccharomyces cerevisiae, почкующихся дрожжей, а затем разбавляла их и измеряла, сколько клеток каждого штамма выжило. Затем они повторяли цикл снова и снова.
«Мы видим, что, когда среда обитания разбавляется очень часто — в нашем случае каждый день, — клетки, не проявляющие антагонизма, чувствуют себя лучше, чем когда их разбавляют реже, что для нас составляло каждые 48 часов», — сказал Джиометто.
Вычислительное моделирование команды рассматривало вопросы, на которые было трудно ответить с помощью биологических экспериментов, такие как влияние различных степеней и частот разбавления, случайности по сравнению с предсказуемостью во времени разбавления и различные стратегии производства токсинов для антагонистических микробов. Моделирование также подчёркивало важность определённых «стратегий» антагонистов, таких как кворум-сенсинг, который позволяет им вступать в бой в ответ на определённые сигналы окружающей среды или микробов.
«Когда время разбавления случайно, антагонисты могут получить существенную выгоду от избирательности в производстве токсинов», — сказал Владимирский. «Напротив, когда разбавление происходит точно по расписанию, наши вычислительные эксперименты показали, что выгода, которую они могут получить от избирательности, намного меньше».
Понимание компромисса между метаболической ценой антагонизма и его конкурентными преимуществами может помочь в разработке будущих пробиотиков, которые могут эффективно бороться с инфекциями, настраивая своё агрессивное поведение в ответ как на состав сообщества, так и на условия окружающей среды.
Возможно, здесь есть урок и для более широкого круга конкурентов — от микробов до животных, людей и организаций. «Говоря проще, если вы слишком сосредоточены на том, чтобы досадить другим, это отнимает время и энергию, которые вы могли бы потратить на то, чтобы стать лучше самому или произвести больше потомства», — сказал Владимирский.
«Наше исследование показывает, что окупается ли антагонистическое поведение в долгосрочной перспективе — это тонкий вопрос. Ответ не полностью определяется типами и количеством конкурентов и усреднёнными по времени свойствами конкурентной среды. На него также сильно влияет то, как эта среда меняется со временем».
Предоставлено Корнелльским университетом.