Οι βιολόγοι του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ ανέπτυξαν τις πρώτες μαθηματικές προσομοιώσεις βακτηριακών κοινοτήτων που ενσωματώνουν τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις και την ταχεία εξέλιξη μεταξύ των βακτηρίων και αντικατοπτρίζουν την τεράστια ποικιλομορφία των ειδών που παρατηρείται στην πραγματική ζωή.

Το έργο τους, που δημοσιεύτηκε στις 4 Ιανουαρίου 2022 στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, ιδρύει ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο για τη μελέτη βακτηριακές κοινότητες και θέτει τις βάσεις για βελτιωμένες θεραπείες με προβιοτικά και αντιβιοτικά.

Η μελέτη βακτηριακών κοινοτήτων μοιάζει λίγο με την προσπάθεια κατανόησης της άγριας ζωής σε έναν κόσμο όπου ελέφαντες με ρυτιδιασμένο γκρι δέρμα και ελέφαντες με φτερά σπρώχνουν για χώρο στο ποτιστικό δίπλα σε πουλιά με κορμούς, ζέβρες με λέπια και λιοντάρια που ανέπτυξαν μια γεύση για το γρασίδι. Την επόμενη μέρα, νέα ζώα μπορεί να εμφανιστούν με ακόμη περισσότερα σταυρωτά χαρακτηριστικά.

Στον κόσμο των βακτηρίων, χιλιάδες είδος μπορεί να υπάρχουν δίπλα-δίπλα σε μια ρευστή κατάσταση εξέλιξης. Μεμονωμένα βακτήρια αρπάζουν κομμάτια DNA από τους γείτονές τους, αποκτώντας γρήγορα νέα χαρακτηριστικά και θολώνοντας τις γραμμές μεταξύ των ειδών. Επιπρόσθετα στον χάος, η κοινότητα βρίσκεται σε μια συνεχή κατάσταση πολέμου που ορίζεται από περίπλοκες και συνεχώς μεταβαλλόμενες συμμαχίες. Μερικά είδη καταβροχθίζουν το ένα το άλλο ή εκτοξεύουν τοξίνες για να σκοτώσουν ή να ανατρέψουν το ένα το άλλο, ενώ άλλα φαίνεται να προστατεύουν το ένα το άλλο από τους επιτιθέμενους.

«Αυτός ο τύπος πολύ ρευστής κατάστασης μεταξύ των ειδών και αυτές οι πολύ περίπλοκες αλληλεπιδράσεις δεν είναι κάτι που βλέπουμε στην οικολογία και την εξέλιξη στην ανθρώπινη κλίμακα, επομένως τα παραδοσιακά θεωρητικά μοντέλα δεν ήταν αποτελεσματικά για να εξηγήσουν πώς οι μικροβιακές κοινότητες συγκεντρώνονται και διατηρούν την ποικιλομορφία», δήλωσε ο Anshuman Swain. , διδάκτορας βιολογικών επιστημών. φοιτητής στο UMD και κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης.

Έχοντας τα κατάλληλα εργαλεία για μελέτη μικροβιακές κοινότητες είναι σημαντικό γιατί τα μικρόβια είναι απαραίτητα για την ανθρώπινη υγεία και τη ζωή στη Γη. Τα μικρόβια προκαλούν και προλαμβάνουν ασθένειες, διασπούν τα τρόφιμα και τα απόβλητα και βοηθούν στη ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος. Και ποικιλότητα των ειδών στις βακτηριακές κοινότητες είναι ζωτικής σημασίας για τα πάντα, από ένα υγιές πεπτικό σύστημα έως μια ισορροπημένη απόκριση στα αντιβιοτικά.

Οι συμβατικοί κανόνες της βιολογίας προτείνουν ότι ο ανταγωνισμός μεταξύ των ειδών θα πρέπει να μειώσει την ποικιλότητα και να οδηγήσει στην άνοδο λίγων διακριτών, κυρίαρχων ειδών. Σαφώς, αυτοί οι κανόνες δεν αντικατοπτρίζουν την πραγματικότητα στο μικροσκόπιο. Αυτό οφείλεται εν μέρει επειδή γενικά αντιπροσωπεύουν μόνο τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο ειδών τη φορά και δεν λαμβάνουν υπόψη την ταχεία ταχύτητα της εξέλιξης που παρατηρείται στα μικρόβια.

Η έλλειψη ενός κατάλληλα εξελιγμένου θεωρητικού πλαισίου που να εξηγεί τους περίπλοκους κανόνες που οδηγούν τη δυναμική της κοινότητας έχει εμποδίσει τις προσπάθειες ανάπτυξης προβλέψεων που οι επιστήμονες μπορούν να δοκιμάσουν με ουσιαστικά πειράματα στον πραγματικό κόσμο.

«Υπήρξε πολύ λίγη θεωρία που να ενσωματώνει σύνθετες αλληλεπιδράσεις για να πει στους πειραματιστές τι είναι δυνατό, τι να ψάξουν ή πώς να περιμένουν μια κοινότητα να συμπεριφέρεται υπό ορισμένες συνθήκες», είπε ο Σουέιν. “Είναι πολύ δύσκολο να κάνεις πειράματα με πολλά είδη, όλα αλληλεπιδρούν και επηρεάζουν τις αλληλεπιδράσεις κατάντη στην κοινότητα. Και τότε πώς συμβαδίζεις με τις γρήγορες μεταλλάξεις πέρα ​​από αυτό;”

Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, ο Swain συνεργάστηκε με τον διακεκριμένο πανεπιστημιακό καθηγητή βιολογίας του UMD Bill Fagan και τον Levi Fussell του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου για την ανάπτυξη προσομοιώσεων υπολογιστή που ενσωματώνουν αυτές τις μοναδικές πολυπλοκότητες. Μετά από πάνω από 10 εκατομμύρια προσομοιώσεις με ποικίλες παραμέτρους, η ομάδα εντόπισε τρεις βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την ποικιλότητα των ειδών, επισημαίνοντας για πρώτη φορά πτυχές της δυναμικής της μικροβιακής κοινότητας στις οποίες μπορούν να εστιάσουν οι πειραματιστές όταν κάνουν ερωτήσεις σχετικά με τη μικροβιακή ποικιλότητα:

• Αλληλεπιδράσεις ανώτερης τάξης, οι οποίες είναι αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο ή περισσότερων ειδών που ρυθμίζονται από ένα ή περισσότερα πρόσθετα είδη. Για παράδειγμα, το είδος Α παράγει μια τοξίνη που σκοτώνει το είδος Β, αλλά το είδος Γ εξουδετερώνει αυτή την τοξίνη εάν βρίσκεται κοντά και το είδος Β επιβιώσει.
• Οριζόντια μεταφορά γονιδίων, η οποία δημιουργεί έναν «συνεχή χώρο χαρακτηριστικών». Αυτό σημαίνει ότι η γενετική ανάμειξη προκαλεί μια ανάμειξη χαρακτηριστικών μεταξύ αρχικά διαφορετικών ειδών και οδηγεί σε μια κοινότητα με μια συνέχεια κοινών χαρακτηριστικών.
• Υψηλά ποσοστά μετάλλαξης μεταξύ των ειδών της κοινότητας.

Με έμφαση σε αυτούς τους τρεις παράγοντες, οι ερευνητές ανέπτυξαν αλγόριθμους για την προσομοίωση της ανάπτυξης και της εξέλιξης των βακτηριακών κοινοτήτων. Τα μοντέλα τους αντιπροσώπευαν μια άνευ προηγουμένου ποικιλομορφία σε κοινότητες με σχεδόν απεριόριστο αριθμό ειδών που μοιράζονται χαρακτηριστικά σε μια συνέχεια. (Παραδοσιακά μαθηματικά μοντέλα που προσπάθησαν να ενσωματώσουν σύνθετες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ειδών έτειναν να περιορίζονται σε πέντε ή λιγότερα διαφορετικά είδη.)

Στα μοντέλα τους, ο Swain και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ο καλύτερος προγνωστικός παράγοντας για την ποικιλότητα των ειδών ήταν ο χρόνος που χρειάστηκε για μια κοινότητα να φτάσει σε ισορροπία, πράγμα που σημαίνει ότι ο αριθμός των βακτηρίων και ο φυσικός χώρος που καταλάμβαναν ήταν σχετικά σταθερός. Όταν μια κοινότητα σταθεροποιήθηκε πολύ γρήγορα ή πολύ αργά, η ποικιλομορφία έπεσε και κυριαρχούσαν μόνο μερικά είδη.

Αλλά κάπου στο ενδιάμεσο, η διαφορετικότητα άνθισε. Σε αυτή τη μεσαία ζώνη, ο ρυθμός μετάλλαξης και η κινητικότητα ενός βακτηρίου σε μια κοινότητα (πόσο μακριά μπορεί να εξαπλωθεί σε νέα επικράτεια) υπαγόρευσε το μέγεθος της ποικιλομορφίας σε μια κοινότητα.

Εξοπλισμένοι με αυτό το νέο πλαίσιο, οι πειραματιστές θα πρέπει να είναι καλύτερα προετοιμασμένοι να αντιμετωπίσουν σημαντικά ερωτήματα, όπως πώς να αναπτύξουν αντιβιοτικά που διατηρούν ποικιλία στο μικροβίωμα του εντέρου ή πώς να αποτρέψετε τα ανθεκτικά στα αντιβιοτικά στελέχη βακτηρίων να κυριαρχήσουν σε μια λοίμωξη.

ο ερευνητική εργασία, “Φαινόμενα υψηλότερης τάξης, συνεχείς αλληλεπιδράσεις ειδών και εξέλιξη χαρακτηριστικών διαμορφώνουν τη μικροβιακή χωρική δυναμική,” Anshuman Swain, Levi Fussell και William F Fagan, δημοσιεύτηκε στο PNAS στις 4 Ιανουαρίου 2022.