"Сильные" бактерии могут сотрудничать со "слабыми" при создании защитных биопленок

Бактерии противоречат Дарвину: выживают самые дружелюбные...

Расшифровка связей между бактериальными взаимодействиями и пространственной организацией в мультивидовых биопленках

Новые исследования микробов в Университете Копенгагена показывают, что «выживание самых дружественных» перевешивает «выживание наиболее приспособленных» групп бактерий. Бактерии создают пространство друг для друга и жертвуют своими свойствами, если это приносит общую пользу бактериальному сообществу. Открытие является важным шагом к пониманию сложных взаимодействий бактерий и разработке новых моделей лечения широкого спектра заболеваний человека и новых экологически чистых технологий.

Новые исследования бактерий на кафедре биологии показывают, что бактерии скорее объединятся против внешних угроз, таких как антибиотики, чем будут бороться друг против друга. Отчет был опубликован в научном издании ISME Journal. В течение ряда лет исследователи изучали, как сочетания бактерий ведут себя вместе в ограниченном пространстве. После изучения многих тысяч комбинаций стало ясно, что бактерии сотрудничают, чтобы выжить, и что эти результаты противоречат тому, что Дарвин сказал в своих теориях эволюции.

«В классическом дарвиновском мышлении конкуренция - это название игры. Более приспособленные виды выживают и вытесняют тех, кто менее подходит. Однако, когда дело доходит до микроорганизмов, таких как бактерии, наши результаты показывают, что из них выживают наиболее кооперативные», - объясняет профессор Департамена биологии, микробиолог, Серен Йоханнес Серенсен (Søren Johannes Sørensen).

Социальные бактерии работают плечом к плечу

Выделив бактерии из небольшой кукурузной шелухи (где они были вынуждены «бороться» за пространство), ученые смогли исследовать степень, в которой бактерии конкурируют или сотрудничают, чтобы выжить. Штаммы бактерий были отобраны на основе их способности расти вместе. Исследователи измерили бактериальную биопленку, слизистый защитный слой, который защищает бактерии от внешних угроз, таких как антибиотики или хищники. Когда бактерии здоровы, они производят больше биопленки, становятся сильнее и эластичнее.

Прим. редактора: Биоплёнка - множество (конгломерат) микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности, клетки которых прикреплены друг к другу. Обычно клетки погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество - слизь. Биоплёнка - обладающее пространственной и метаболической структурой сообщество (колония) микроорганизмов, расположенных на поверхности раздела сред и погружённых во внеклеточный полимерный матрикс (слизь). Обычно биоплёнки образуются в контакте с жидкостями при наличии необходимых для роста веществ. Поверхность, к которой прикреплена биоплёнка, может быть как неживой (камни), так и поверхностью живого организма (стенки кишечника). Считается, что 95-99% всех микроорганизмов в естественной среде существует в виде биоплёнки.

Раз за разом исследователи наблюдали один и тот же результат: вместо того, чтобы самые сильные соперничали с другими в производстве биопленки, пространство было предоставлено самым слабым, позволяя слабым расти намного лучше, чем они могли бы сами. В то же время исследователи могли видеть, что бактерии разделяют трудоемкие задачи, отключая ненужные механизмы и разделяя их со своими соседями.

«Вполне возможно, что Генри Форд думал, что он нашел что-то блестящее, когда он ввел сборочную линию и рабочую специализацию, но бактерии использовали эту стратегию в течение миллиарда лет», - говорит Сорен Йоханнес Соренсен, ссылаясь на самые старые известные бактериальные окаменелости с биопленкой. Он добавляет:

«Наше новое исследование демонстрирует, что бактерии организовывают себя структурированным образом, распределяют работу и даже помогают друг другу. Это означает, что мы можем узнать, какие бактерии сотрудничают, и, возможно, какие из них зависят друг от друга, глядя на то, кто и с кем находится рядом».

Понимание невидимой бактериальной синергии

Ученые также исследовали, какими свойствами обладают бактерии по сравнению с другими бактериями, если бы они были одни. Люди часто обсуждают взаимодействие на рабочем месте или в группе и то, как люди вдохновляют друг друга. Бактерии делают этот шаг дальше, когда они выживают в небольших сообществах.

«Бактерии выводят наше понимание групповой синергии и вдохновения на совершенно другой уровень. Они вызывают у своих соседей признаки, которые в противном случае оставались бы спящими. Таким образом, группы бактерий могут выражать свойства, которые невозможны, когда они одни.

Когда они вместе, могут неожиданно появиться совершенно новые функции», - объясняет Сорен Йоханнес Соренсен.

Понимание того, как бактерии взаимодействуют в группах, может создать совершенно новую область в биотехнологии, которая традиционно стремится эксплуатировать отдельные, изолированные штаммы, по одному за раз.

«Био-ориентированный социум в настоящее время рекламируются как решение для моделирования многих проблем, с которыми сталкивается наше общество. Однако подавляющее большинство современных биотехнологий основано на единичных организмах. Это резко контрастирует с тем, что происходит в природе, где все процессы управляются кооперативными консорциумами организмов. Мы должны учиться у природы и внедрять решения, позволяющие использовать огромный потенциал биотехнологии в будущем», - считает Сорен Йоханнес Соренсен.

Источник: Материалы предоставлены UniversityofCopenhagen.

Статья в журнале: Wenzheng Liu, Samuel Jacquiod, Asker Brejnrod, Jakob Russel, Mette Burmølle, Søren J. Sørensen. Deciphering links between bacterial interactions and spatial organization in multispecies biofilms. The ISME Journal, 2019