У бактерий, как и у людей, сложные отношения: они могут быть дружелюбными, нейтральными или враждебными по отношению друг к другу, и эти отношения могут меняться в зависимости от ситуаций, в которых они оказываются. По мере того, как в последние годы резко возрос интерес к выявлению видов бактерий, присутствующих в микробиоме человека, которые способствуют здоровью и болезням, также были предприняты попытки понять, как взаимодействуют разные виды бактерий. Эти знания могут позволить создать методы лечения и инструменты на основе бактерий, которые можно будет использовать для улучшения здоровья человека, производства ценных веществ или восстановления микробных экосистем. Однако выявление взаимосвязей, которые происходят одновременно между несколькими видами внутри консорциума бактерий в сложной среде, такой как кишечник человека, оказалось сложной задачей.
Теперь наука на один большой шаг приблизилась к этой цели благодаря усилиям группы исследователей из Института биологической инженерии Висса, Гарвардской медицинской школы (HMS) и Бригама и Женской больницы (BWH).. В новой статье, опубликованной на прошлой неделе в mSystems, они сообщают, что им удалось успешно манипулировать четырьмя различными штаммами бактерий в консорциуме, так что их взаимодействия стали полезными, а не антагонистическими, а их соответствующее количество стало более сбалансированным в средах различной сложности, включая кишки живых мышей.
«Всякий раз, когда несколько видов сосуществуют в одном и том же пространстве и используют одни и те же ресурсы, они, вероятно, будут враждебно относиться друг к другу, потому что оба пытаются выжить», - сказала первый автор Марика Зизак. Доктор философии, научный сотрудник Института Висса и HMS. «Подталкивая бактерии к более взаимовыгодному взаимодействию, мы можем в конечном итоге сделать весь консорциум видов более устойчивым и устойчивым и, надеюсь, сможем однажды разработать синтетические консорциумы, которые оптимально настроены для различных применений в области здоровья кишечника человека и биопродукции».
Чтобы заставить бактерии хорошо играть друг с другом, исследователи модифицировали их геномы таким образом, чтобы каждый вид не мог производить три аминокислоты, необходимые для функционирования, и производил четвертую аминокислоту в избытке. Таким образом, каждый вид мог бы процветать только в том случае, если бы три других вида присутствовали в сообществе и производили недостающие ему аминокислоты, что побуждало бактерии применять более подход «живи и дай жить другим».
Такое перекрестное питание метаболитами между видами распространено в природе - люди не могут производить девять из 20 аминокислот, необходимых для поддержания нашего тела, поэтому мы должны потреблять разнообразную пищу, чтобы получить эти необходимые строительные блоки. Многие бактерии также зависят от других видов в отношении соединений, которые они не могут производить, и считается, что такая взаимозависимость помогает сделать бактериальные консорциумы более разнообразными, что, в свою очередь, помогает им противостоять доминированию какого-либо одного вида или потере важного члена, который может привести к краху консорциума.
Все четыре вида бактерий, выбранные командой для создания искусственного консорциума, обитают в кишечнике млекопитающих: E. coli, S. Typhimurium, B. thetaiotaomicron и B. fragilis. Каждый штамм был генетически модифицирован для перепроизводства метионина, гистидина, триптофана или аргинина, а его способность производить остальные три аминокислоты была отключена..
Чтобы оценить, способен ли каждый штамм «спасти» другие штаммы с дефицитом аминокислоты, которую он производит в избытке, исследователи последовательно изолировали соединения, секретируемые каждым штаммом, и выращивали другие штаммы в присутствии этих соединения. По сравнению с контрольной группой, в которой были добавлены соединения из непродуцирующего штамма, каждый из сверхпродуцирующих штаммов был способен спасать другие штаммы в разной степени, в зависимости от того, сколько данной аминокислоты требовалось каждому штамму для роста.
Чтобы увидеть, как четыре модифицированных штамма взаимодействуют вместе как консорциум, исследователи культивировали их все вместе и обнаружили, что они растут примерно в тех же пропорциях, но в меньшем общем количестве, чем немодифицированные версии тех же штаммов, выращенные вместе., показывая, что все дефицитные штаммы были способны получать достаточное количество аминокислот от других, чтобы выжить и размножаться. Затем команда повторила этот эксперимент несколько раз, каждый раз уменьшая начальную популяцию одного штамма в десять раз, чтобы увидеть, как консорциум отреагирует на потерю одного члена. Они обнаружили, что в консорциумах неинженерных бактерий сбитый штамм не восстанавливался, в то время как в консорциумах сконструированных бактерий как S. Typhimurium, так и B.тета восстановилась до своего нормального уровня после нокдауна. Ни E. coli, ни B. fragilis не смогли восстановиться после нокдауна, а потеря B. fragilis привела к тому, что весь консорциум увеличился только до половины своего нормального размера.
Эксперименты по нокдауну также выявили взаимосвязь между различными штаммами как в неинженерных, так и в инженерных консорциумах. В неинженерном консорциуме отсутствие одних штаммов привело к чрезмерному росту других, что указывает на то, что эти штаммы естественным образом конкурируют друг с другом. Однако в сконструированном консорциуме нокдаун одного вида существенно не изменил доли остальных видов, и фактически нокдаун B. fragilis оказал негативное влияние как на S. Typhimurium, так и на E. coli, указывая на то, что присутствие B. fragilis стала полезной для этих видов.
Исследователи также обнаружили, что консорциумы сконструированных бактерий демонстрировали большую равномерность - примерно одинаковое количество каждого вида - чем не сконструированные консорциумы, как in vitro, так и когда консорциумы были инокулированы в кишечник мышей без бактерий. Эта тенденция также присутствовала, когда бактерии выращивали в среде с низким содержанием аминокислот, что указывает на то, что сконструированные бактерии успешно скармливали друг другу аминокислоты для создания стабильного сообщества..
"Как и ожидалось в сложной сети видов, не все бактериальные штаммы взаимодействуют друг с другом в равной степени; сконструированные штаммы E. coli и S. Typhimurium, по-видимому, "прихорашиваются" от видов Bacteroides, не обеспечивая столько преимущества для других членов, поэтому будущие исследования могут быть сосредоточены на оптимизации того, насколько каждый вид перепроизводит данную аминокислоту и потребляет другие, чтобы улучшить общую приспособленность консорциума без ущерба для равномерности видов», - сказала соавтор Памела Сильвер., доктор философии, один из основателей Института Висса, который также является профессором биохимии и системной биологии Эллиота Т. и Они Х. Адамс в HMS.
Другие потенциальные направления для этого исследования включают введение каскадов взаимодействий, чтобы каждый бактериальный штамм брал соединение от другого штамма, модифицировал его и «передавал» другому штамму для дальнейшей обработки, чтобы создать более эффективную сборочная линия биопродукции для создания химических веществ, представляющих фармацевтический или промышленный интерес.
Мы в конечном счете заинтересованы в рациональном проектировании консорциумов полезных бактерий, которые могут функционировать в сложных условиях, включая кишечник человека, для медицинских применений. Внедрение «дружественных» взаимодействий между бактериями является важным шагом на пути к возможности контролировать эти консорциумы, чтобы они не проявляли чрезмерного роста или потери видов и могли выполнять свои предполагаемые функции», - сказал соавтор Георг Гербер, доктор медицинских наук, который также является руководителем отдела вычислительной патологии в Brigham and Women's Hospital и доцентом HMS, а также содиректором Массачусетского центра микробиома хозяина в Brigham.
Возможность преобразовать один тип бактериального консорциума в другое стабильное сообщество является сегодня одной из основных задач в медицине, связанной с микробиомом, и эта работа Пэм Сильвер и ее сотрудников представляет собой важный первый шаг к разработке способов спроектировать этот переключатель контролируемым образом», - сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, М.доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона SEAS.
Дополнительными авторами статьи являются старший научный сотрудник Института Висс Джеффри Уэй, доктор философии; бывшие члены Института Висса Джон Оливер, доктор философии, Эндрю Шумейкер, доктор философии, и Дэвид Риглар, доктор философии; бывший научный сотрудник HMS Тобиас Гиссен, доктор философии; Постдокторант HMS Брайан Хсу, доктор философии; и Трэвис Гибсон, доктор философии, Николас ДиБенедетто и Линн Брай, доктор медицины, доктор философии. из Массачусетского центра микробиома-хозяина в Brigham &Women's Hospital и HMS.