Конкуренция внутри смешанных бактериальных популяций может привести к сложной динамике роста. Исследователи из Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) в Мюнхене исследуют взаимодействие между дифференциальными темпами роста и стохастическими факторами при определении состава таких популяций.
Как бактерии реагируют на колебания окружающей среды? Как они реагируют на абиотические стрессы или на конкуренцию с другими микробами? А в смешанных популяциях какие факторы определяют, какой из конкурирующих видов или штаммов в конце концов победит? На эти вопросы нелегко ответить, поскольку бактериальные сообщества представляют собой сложные и динамичные экосистемы. Влияние колебаний скорости роста на бактериальные культуры можно исследовать на абстрактном уровне с помощью динамических законов и теории вероятностей, но результаты должны быть проверены экспериментально. Группа биофизиков из LMU под руководством доктора Мадлен Опиц теперь использовала такое сочетание эксперимента и математической теории, чтобы понять - в масштабах от нескольких сотен клеток до видимых колоний, состоящих из миллиардов членов - меняющийся состав смешанная бактериальная популяция, входящие в ее состав штаммы конкурируют друг с другом. Результаты опубликованы в журнале открытого доступа PLOS Biology..
Исследование показало, что в модельной системе, выбранной Опицем и его коллегами, выигрышная сторона становится очевидной на очень ранней стадии роста популяции, когда число клеток еще относительно невелико. Исследователи изучили динамику роста в смешанной популяции, состоящей из двух штаммов кишечной палочки. Один из них может синтезировать и высвобождать токсин колицин Е2, к которому чувствителен второй штамм.
Одна только эта информация не требует особых размышлений, чтобы понять, какой сорт побеждает. Но экспериментальная система несколько сложнее. Во-первых, количество клеток, чувствительных к токсину, в исходной популяции превышает количество клеток-продуцентов токсина в 100 раз. Во-вторых, не каждый потенциальный продуцент действительно синтезирует колицин Е2, к тому же высвобождение токсина сопровождается гибелью клетки-продуцента.. В этих условиях внутри продуцентов возникает четкое разделение труда. Некоторые клетки производят токсин, а остальные берут на себя задачу размножения и размножения. Доля клеток, принимающая на себя каждую из этих ролей, частично определяется природой окружающей среды. Выработка токсина стимулируется в стрессовых условиях, которые исследователи создавали, добавляя в культуру различные концентрации антибиотика. Как объясняет Опиц, стресс в форме антибиотика активирует специфический тип SOS-функции у бактерий, который запускает контрмеры и способствует выработке токсина (в то время как антибиотик также снижает общую скорость роста).
В отсутствие стресса, вызванного добавлением антибиотика, обычно побеждал чувствительный штамм, который изначально присутствовал в 100-кратном избытке по сравнению с продуцентом токсина, хотя стабильное сосуществование обоих штаммов было также наблюдается в этих условиях. С другой стороны, в культурах, содержащих низкие уровни антибиотика, разделение труда внутри популяции производителей давало им решающее преимущество, и в подавляющем большинстве случаев они выходили победителями.
Хотя распределение «ответственности» за размножение и выработку токсина определяет диапазон доступных результатов, решения, принимаемые отдельными представителями токсин-продуцирующего штамма в течение первых нескольких часов после инокуляции культуры, определяют фактический результат. каждого соревнования. «Решение» отдельной бактериальной клетки продуцировать ColE2 является случайным событием. Средний исход серии случайных событий, как и общее распределение результатов последовательного броска костей, можно предсказать. Но вероятность того, что любая данная клетка будет производить токсин, не так просто оценить. Эти статистические флуктуации создают фоновый шум, из-за которого математическим моделям так сложно давать четкие прогнозы в отношении отдельных итераций таких вероятностных процессов. Это подтверждается открытием, что количество потенциально продуцирующих токсин клеток (1 или 4), случайно включенных в первоначальный инокулят, оказывает важное влияние на исход соревнования, говорит Опиц.
«Удивительно наблюдать, - замечает первый автор Бенедикт фон Бронк, - как выбор, продиктованный случайными событиями среди небольшого числа бактерий, присутствующих в культуре в самом начале, может иметь такое влияние на состав значительного количества бактерий». большая популяция клеток в гораздо более позднее время».