Враги столкнулись друг с другом, поэтому начались убийства.
Размахивая гарпунообразными придатками, покрытыми ядом, две армии холерных бактерий вонзали друг в друга ножи, разрывая жертв, как водяные шарики. Ученые из Технологического института Джорджии математически отследили битву за средства к существованию и территорию, чтобы получить информацию, которая когда-нибудь может привести к новым целенаправленным методам лечения инфекций.
Но в этом сценарии дуэльные бактерии не будут инфицирующими; они были бы лекарством.
Предположительно, специально созданные бактерии-убийцы, дружественные человеку, могли бы убивать вредные бактерии, сохраняя при этом полчища микробов, поддерживающих здоровье людей. Напротив, антибиотики, которые мы используем сегодня, уничтожают как вредные, так и полезные бактерии.
«Если бы вы могли воздействовать на вредные бактерии в кишечнике человека, вы могли бы использовать искусственные бактерии в качестве живого антибиотика», - сказал Брайан Хаммер, доцент Школы биологических наук Технологического института Джорджии. Он предупредил: «Сейчас мы и близко не к этому».
Вычисление бактерий
Но чтобы использовать бактерии в медицине или промышленности или просто чтобы лучше понять, как они развиваются и распространяются, полезно определить постоянство их действий во времени. Вот где начинается математика.
Исследователи Технологического института Джорджии применили к бактериям существующие физические уравнения, разработанные для точного описания взаимодействия атомов и молекул. Они обнаружили, что эти расчеты также могут точно предсказать, что две холерные армии разделятся на фазы, как нефть и вода, когда они встретятся на поле боя.
«Модели предсказывали почти точно, когда произойдет разделение фаз, а затем мы наблюдали, как это происходит, как и предсказывала математика», - сказал Хаммер. Бактериальные взаимодействия оказались почти такими же поддающимися расчету, как и химические реакции.
Биологи Хаммера и Технологического института Джорджии Уилл Рэтклифф, доцент, и Сэмюэл Браун, доцент, объединились с Питером Юнкером, доцентом Физической школы Технологического института Джорджии для исследования. Свои результаты они опубликовали в журнале Nature Communications. Первыми авторами были бывший аспирант Хаммера, биолог Эрин Бернарди, и бывший аспирант Брауна Люк МакНалли. Их исследование финансировалось Национальным научным фондом, программой NASA Exobiology, Фондом Гордона и Бетти Мур, Wellcome Trust и Human Frontier Science Program.
Гнилые панцири крабов
Бактерии холеры обычно встречаются в воде вместе с другими микробами на панцирях крабов и крошечном криле, и люди, которые пьют эту воду, могут умереть в течение нескольких часов из-за сильной рвоты и диареи, вызываемых микробами. Стимулом для математических расчетов по борьбе с холерой послужило то, как они ведут войну за территорию с панцирями крабов, которые содержат материал, называемый хитином, который включает функцию гарпуна у Vibrio cholerae. Без хитина, без колющих ударов.
«Я изучал эту удивительную биологическую систему, - сказал Хаммер, - и искал способ визуализировать ее». Рэтклифф и Юнкер применяли микроскопию и математику для изучения динамики эволюции дрожжей и предложили Хаммеру попробовать этот метод.
Но прежде чем перейти к самой математике, важно понять несколько вещей о Vibrio cholerae. Во-первых, большинство микробиологов считают, что бактерии холеры используют гарпуны для уничтожения конкурирующих бактерий, а не для уничтожения клеток человека.
Ядовитое оружие называется системой секреции типа VI (T6SS) и широко распространено. «Эта гарпунная система содержится примерно в четверти грамотрицательных бактерий», - сказал Хаммер. «Итак, эта бактериальная дуэль происходит вокруг вас».
Грамотрицательные бактерии имеют более тонкие стенки, которые легче проколоть. Грамположительные бактерии имеют более толстые стенки и менее восприимчивы к гарпунам, а проникнуть в клетки человека может быть еще труднее.
И колющий механизм не ограничивается возбудителями вроде холеры. Его используют и многие безобидные бактерии. Но больше известно о механизме действия патогенов, потому что вредоносные бактерии чаще становятся предметом научных исследований, чем безвредные бактерии, сказал Хаммер.
Вооруженный и щедрый
Холерные гарпуны наносят случайные удары по всем бактериям, с которыми соприкасаются, включая друг друга, но Vibrio cholerae одного и того же штамма невосприимчивы к ударам друг друга. Итак, они убивают своих врагов, но не себе подобных.
Убийство также, кажется, идет рука об руку с совместным социальным поведением. Исследователи обнаружили, что бактерии, которые хорошо убивают вместе, также хорошо делятся друг с другом и создают сообщество.
Все начинается с создания общего запаса еды. «Бактерии переваривают пищу вне своих клеток», - сказал Хаммер. Но хранить всю эту еду вокруг рискованно.
«Вам нужна стратегия, чтобы все усилия по пережевыванию и перевариванию пищи приносили пользу вам и вашим близким, а не кому-то еще, кто приходит и грабит ее». Когда штамм бактерий убивает захватчиков, он сохраняет плоды своего труда и размножается, передавая свои гены.
Постдокторский исследователь Брауна Люк МакНалли изучил геномы многих типов бактерий (помимо холерных), которые используют ядовитые гарпуны. У некоторых штаммов было шесть или семь гарпунов, а у некоторых гарпунов было несколько ядов. И, похоже, существовала корреляция между оружием и сотрудничеством.
«Мы обнаружили, что чем больше оружия было в геноме штамма бактерий, тем больше он выглядел так, как будто он был склонен делиться», - сказал Хаммер.
Металлическая математика применяется
Под микроскопом сражающиеся штаммы бактерий действительно выглядели как капельки масла и воды, разделяющиеся на плоской поверхности. Они были окрашены в два разных цвета, таких как красный и синий, поэтому их можно было отличить друг от друга.
«Мы начинаем с двух хорошо смешанных штаммов», - сказал Хаммер. «Мы в шутку называем это моделью заправки для салата, потому что вы смешиваете масло и воду, и они хорошо перемешиваются, и вы даете им постоять, и они разделяются по фазам».
Когда они хорошо смешаны, два штамма холеры выглядят как одна пурпурная масса, но по мере того, как они убивают друг друга и завоевывают отдельные территории, они делятся на красные пятна и синие пятна.
Существуют существенные различия между тем, как работают химические и живые системы. Например, бактерии также воспроизводятся и размножаются; молекулы нет. Но базовая математика, которая работала для материалов, также работала для бактерий.
«Тип кривой, которую мы наблюдали, описывая наши результаты, никогда раньше не использовался для описания живых систем», - сказал Хаммер. «Эмпирически он использовался для описания металлов, которые претерпевают фазовое разделение».
Модели прогнозирования, основанные на формуле, называемой уравнениями «Модели А», оказались чрезвычайно точными. «Математическое моделирование почти полностью совпало с наблюдаемыми данными», - сказал Хаммер.
Будущие приложения?
«В вашем кишечнике много полезных бактерий являются грамположительными», - сказал Хаммер. «Но может быть небольшое количество грамотрицательных бактерий, наносящих вред вашему кишечному сообществу, и, возможно, сконструированные бактерии с копьями смогут избавиться только от этих грамотрицательных».
Кроме того, внешний материал, такой как хитин, который включает функцию гарпуна у бактерий холеры, может быть дан вместе с бактериями-убийцами, чтобы активировать их оружие, а затем деактивировать его, когда хитин исчезнет.