«Миром правят микробные сообщества», - говорит Джо Хандельсман, директор Висконсинского института открытий при Университете Висконсин-Мэдисон.
«Люди всегда смеются, когда я это говорю», - добавляет она. "Но это правда."
Наше богатое новое понимание микробных сообществ и их влияния на здоровье человека или урожайность привело к мечте об изменении этих сообществ для получения выгоды. Преследуя эту мечту, миллионы американцев теперь принимают пробиотики, полезные микробы, которые, как они надеются, улучшат состояние их кишечника.
Но из-за огромной сложности и устойчивости этих микробиомов исследователи не знают, как добиться предсказуемых и долгосрочных изменений к лучшему.
Новое исследование Хандельсман и ее сотрудников направлено на решение этой сложности. Команда создала сообщество, которое они назвали THOR, состоящее из трех видов бактерий, выделенных из корней сои и выращенных вместе. Сложное сообщество микробов вместе разработало новое поведение, которое нельзя было предсказать только по отдельным членам - они создали более прочные структуры, известные как биопленки, изменили то, как они перемещались в окружающей среде, и контролировали высвобождение нового антибиотика..
Каждый из трех членов THOR имеет секвенированный геном, и доступен набор инструментов для легкого изучения бактерий по отдельности и вместе, что открывает возможности для начала разгадки сложности микробных сообществ, таких как THOR и другие.. Лучшее понимание этих микробиомов может помочь ученым понять, как их улучшить.
Работа опубликована 5 марта в журнале mBio. Работой руководил постдокторант лаборатории Хандельсмана Габриэль Лозано с сотрудниками из Медисонского отделения патологии растений Университета Вашингтона, Йельского университета и других учреждений.
Громовое имя THOR происходит от членов сообщества: The Hitchhikers Of The Rhizosphere. Несколько лет назад лаборатория Хандельсмана заметила, что несколько бактерий появились вместе с ними, когда представители обычных бактерий Bacillus были выделены из микробиома корней сои, известного как ризосфера. Эти автостопщики проявили себя только тогда, когда бактерии Bacillus выращивали на холоде в течение нескольких недель.
Эти тесные ассоциации между разными видами предполагают, что они могут служить модельным сообществом для проверки того, как возникают сложные черты, когда несколько видов живут в одном и том же пространстве. Исследователи остановились на видах из групп бактерий Pseudomonas и Flavobacterium, чтобы выращивать и изучать их вместе с Bacillus.
В совокупности члены THOR обладали примерно 15 000 генов и были способны производить тысячи небольших молекул, создавая «слои сложности» во времени и в пространстве, говорит Хандельсман.
При выращивании в одиночку Pseudomonas члена THOR образует биопленку, прочную структуру, которая защищает бактерии от окружающей среды. Биопленки герметизируют имплантаты, используемые в медицине, и делают бактерии устойчивыми к антибиотикам. Когда все три члена THOR были выращены вместе, сообщество производило в два раза больше биопленки, и биопленка сохранялась дольше, чем когда Pseudomonas была одна.
«Даже когда их популяции невелики, эти другие виды образуют более крупные биопленки», - говорит Хандельсман..
Другие сложные черты также проявились в THOR. Член Bacillus уменьшил производство антибиотиков, вырабатываемых Pseudomonas, защищая Flavobacterium от их воздействия. А другие члены THOR заставляли колонии Bacillus расти, как ветви дерева, распространяясь поверх и вокруг других бактерий сложным образом.
Многие усилия по манипулированию микробиомами направлены на улучшение здоровья человека, и модельные сообщества, такие как THOR, могут помочь ученым понять, как можно изменить сложные взаимоотношения микробов, чтобы принести нам пользу.
Но информация THOR о микробиоме корней растений, ризосфере, так же важна. Ризосфера помогает склеивать почву, предотвращая эрозию. А почва удерживает в себе в три раза больше углерода, чем плавает в атмосфере, что делает ее важным элементом в борьбе с изменением климата. Знание того, как отдельные микробы объединяются, чтобы обеспечить богатое и сложное поведение почвенного микробиома, может быть ключом к максимизации пользы, которую мы извлекаем из этих невидимых сообществ.
"Это одни из самых важных отношений, которые у нас есть", - говорит Хандельсман.