Новое исследование, которое будет опубликовано в журнале Current Biology 28 июня, предлагает новые стратегии для индуцирования коллапса бактериальных популяций путем манипулирования социальными взаимодействиями патогена человека Pseudomonas aeruginosa, бактерии, вызывающей хронические легочные инфекции.
Исследовательская группа под руководством Карины Ксавье из Instituto Gulbenkian de Ciência (IGC, Португалия) определила новые способы поощрения так называемого «мошеннического поведения» в бактериальных сообществах, которое может привести к коллапсу бактериальной популяции, просто манипулируя химическим составом окружающей среды.
Подобно человеческому обществу, бактерии живут в сообществах и взаимодействуют друг с другом, чтобы лучше адаптироваться к окружающей среде. Регулярно они производят соединения, которые ведут себя как общественные блага, поскольку они выделяются в окружающую среду и потребляются всем населением, принося пользу всему бактериальному сообществу. Однако некоторые бактерии несут мутации, которые не позволяют им производить эти общественные блага. Эти бактериальные мутанты действуют как мошенники, извлекая выгоду из общественных благ, не способствуя их производству.
Как и в человеческом обществе, в бактериальных популяциях есть мошенники. Граждане, которые не работают, но полагаются на социальные льготы, предоставляемые налогоплательщиками, получают все льготы, которые покрываются налогами, не оплачивая расходы. Если многие граждане мошенничают, вся экономическая система рушится. То же самое происходит с бактериями. Бактериальные мошенники получают прибыль от товаров, произведенных другими бактериями, не внося свой вклад. Поскольку обман позволяет им экономить энергию, они могут расти больше и быстрее. В конечном счете количество этих мошенников может превзойти по численности те бактерии, которые производят соединения, ведущие к вымиранию населения, поскольку общественных благ больше не будет достаточно для всех», - объясняет Ожан Озкая, первый автор этого исследования и в то время аспирант лаборатории Карины Ксавьер. это исследование проводилось.
Было известно, что бактериальная популяция может исчезнуть в присутствии мошенника. Но в природе, в зараженном организме, бактериальная популяция может включать в себя различные мутанты, у которых дефицит продукции того или иного соединения. Итак, что произойдет, если другие мошенники будут играть в ту же игру?
Для изучения этих социальных взаимодействий исследовательская группа IGC использовала Pseudomonas aeruginosa, условно-патогенную бактерию, которая поражает легкие и обычно встречается у пациентов с муковисцидозом. Хронические инфекции, вызванные этими бактериями, часто содержат различные бактериальные мутанты. Команда Ксавьера использовала пробирки и чашки Петри для выращивания нормальной Pseudomonas aeruginosa и двух разных мутантов, которые не смогли произвести два разных общественных блага. Они заметили, что взаимодействие между этими двумя мутантами и нормальными бактериями может предотвратить коллапс популяции. «Наши результаты показывают, что, когда мошенники обманывают друг друга, коллапс популяции, который может быть вызван одним мошенником, можно предотвратить, и популяция может оставаться стабильной в течение более длительного времени. Что ж, это может быть очень хорошо с точки зрения бактерии, но плохие новости, если вы хотите вылечить инфекцию неприятным патогеном», - говорит Ожан Озкая.
Чтобы иметь возможность предсказать, как изменится судьба бактериальных популяций с помощью различных читеров, исследователи создали простую математическую модель. Их результаты показали, что для изменения стабильных взаимодействий между различными мошенниками и кооператорами необходимо изменить стоимость производства общественных благ. И снова Ожан и другие члены команды в лаборатории Ксавьера обратились к своим пробиркам и чашкам Петри, чтобы показать, что, изменяя питательные вещества, даваемые бактериям, они могут изменить стоимость этих совместных действий и привести к исчезновению стабильной популяции.
За последние годы мы значительно продвинулись в понимании того, как бактерии взаимодействуют друг с другом. Этот новый подход позволил нам разработать прогнозы и понять, как бактериальные сообщества могут выиграть или пострадать от сотрудничества или обмана. По мнению Карины Ксавьер, новые препараты, которые блокируют социальное поведение бактерий, возможно, в сочетании с традиционными антибиотиками, будут более эффективными в борьбе с инфекциями и станут решением проблемы устойчивости к антибиотикам».
Использование экономики для понимания микробиологии
Вопреки тому, что может показаться на первый взгляд, экономические теории могут способствовать пониманию поведения сообществ организмов, отличных от людей. Исследователи использовали концепции из экономики для изучения социальных взаимодействий бактерий. Двумя из них являются «трагедия общин» и «дилемма общественного блага». Согласно теориям, основанным на экономике, эти концепции предсказывают, что человеческие общества могут страдать от индивидуального выбора, который игнорирует благополучие сообщества в погоне за личной выгодой, а именно при получении выгоды от общественного блага. Это то, что наблюдается в бактериальных сообществах, включающих бактериальные мутанты, дефицитные для продукции соединений, используемых всем сообществом. Это новое исследование группы IGC показывает, как такое понимание может быть использовано для разработки стратегий манипулирования бактериальными патогенами.