Afkodning af, hvordan bakterier taler med hinanden

Bakterier, de mindste levende organismer i verden, danner fællesskaber, hvor forenede kroppe af individer lever sammen, bidrager med en del af ejendommen og deler fælles interesser.

Jorden omkring en plantes rødder indeholder millioner af organismer, der konstant interagerer – for mange travle spillere til at studere på én gang, på trods af vigtigheden af ​​at forstå, hvordan mikrober blander sig.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet mBio , erfarede forskere ved University of Wisconsin-Madison, at en drastisk nedskaleret model af et mikrobielt samfund gør det muligt at observere nogle af de komplekse interaktioner. Ved at gøre det opdagede de en nøglespiller i mikrobiel kommunikation:tilstedeværelsen eller fraværet af en antibiotisk forbindelse produceret af et af fællesskabets medlemmer påvirkede de to andre medlemmers adfærd.

Man ved ikke meget om, hvordan individuelle mikrober interagerer med hinanden i samfund, men den viden lover utroligt meget.

For eksempel kan bakterien Bacillus cereus beskytte planter ved at producere et antibiotikum, der afskrækker patogenet, der forårsager "dæmpning", en sygdom, der dræber frøplanter og er dyr for landmændene. Men biokontrolmidler som B. cereus er ikke altid effektive. Nogle gange blomstrer planter behandlet med B. cereus, nogle gange gør de det ikke – og forskere forsøger at forstå hvorfor.

"Bakterier lever ikke i isolation," siger Amanda Hurley, hovedforfatter af den nye undersøgelse; AAAS Science and Technology Policy Fellow; og tidligere postdoc i laboratoriet hos UW-Madison professor Jo Handelsman, direktør for Wisconsin Institute for Discovery.

"Hvis vi kunne finde ud af, hvordan interaktioner mellem arter ændrer sig i tilstedeværelsen af ​​flere arter, kan vi begynde at forstå kommunikationstendenser for hele mikrobielle samfund. Ved hjælp af kemi eller genetik kunne vi afbryde visse samtaler og forstærke andre, hvilket fører til mikrobiomer, der interagerer med deres miljøer mere positivt og forudsigeligt, uanset om det er mennesker, afgrøder eller selve jorden."

At dechifrere interaktionerne mellem mikroorganismer kan hjælpe med at skabe et miljø, der er mere gunstigt for Bacillus cereus. Hurley og medforfatterne Marc Chevrette, tidligere postdoc i Handelsman-laboratoriet og i øjeblikket adjunkt ved University of Florida, og Natalia Rosario-Melendez, kandidatstuderende i Handelsman-laboratoriet, satte sig for at afkode og oversætte de kemiske samtaler. Gruppen skabte et modelsystem bestående af tre arter - Flavobacterium johnsoniae og Pseudomonas koreensis blev isoleret med B. cereus fra markdyrkede sojabønnerødder - som de kaldte "The Hitchhikers of the Rhizosphere" eller THOR.

Bakterier kommunikerer ofte gennem kemisproget. At manipulere den kemi ved hjælp af gener og kemikalier kan ændre samtalen og få Bacillus cereus til at føle sig velkommen på planterødderne.

Forskerne byggede profiler af THOR-organismerne ved hjælp af deres mRNA, molekyler produceret, når et gen udtrykkes. I hver kombination af THOR-bakterier ledte forskerne efter forskelle i genekspression. THOR-organismerne reagerede forskelligt på hinanden i hver kombination, og da alle tre arter var sammen, begyndte der at ske nye ting, som ikke skete under nogen af ​​parrene eller enkelte forhold.

I THOR-samfundet var genekspression domineret af interaktioner med et medlem, P. koreensis. Resultaterne blev medieret af tilstedeværelsen af ​​antibiotikummet koreencein - den metaforiske hammer af THOR. Dette enkelte molekyle ser ud til at påvirke ekspressionen og interaktionen af ​​tusindvis af gener på tværs af fællesskabsnetværk. At bestemme, hvordan koreenceine regulerer samfundets gener, vil ifølge forskerne være en frugtbar vej for yderligere undersøgelser.

Undersøgelsen validerer Handelsmans tidlige idé om, at fællesskaber er værd at undersøge, fordi aktiviteten i fællesskabet ikke kun er summen af ​​medlemmerne, men afspejler fællesskabets egenskaber.

"Traditionelt ser folk kun på en enkelt organisme. Det, der gør vores undersøgelse anderledes, er, at vi kiggede på samfundet," siger Chevrette. "Fællesskaber er forskellige. Der er noget iboende unikt for et fællesskab, der gør det anderledes end summen af ​​dets dele. At udnytte enkeltheden af ​​modelmikrobiomer kan hjælpe os med udfordringen med at forstå mikrober i komplekse samfund, og hvordan de kan ændres til forbedre sundheden for mennesker, miljø og landbrug." + Udforsk yderligere

THOR forvandler komplekse mikrobiomer til en model til at forbedre dem