Mikrobielle samfund forbliver sunde ved at udveksle viden

Biomedicinske ingeniører ved Duke University har demonstreret et mikrobielt fællesskabsfænomen, der i det væsentlige svarer til at lære naboer, hvordan man udfører nødvendige opgaver ved at rive ud og dele dele af hjernen.

Processen gør det muligt for mikrobiomer at holde sig selv og deres miljø sunde og kan hjælpe forskere med at skabe robuste, skræddersyede mikrobielle systemer til applikationer lige fra rensning af toksiner fra miljøet til produktion af biobrændstof og andre forbrugerprodukter.

Forskningen vises online den 1. september i tidsskriftet Nature Chemical Biology .

Store, komplekse mikrobielle samfund lever overalt i verden, fra floder og bjerge til mennesker og huse. Men uanset om man sammenligner mikrobiomer på snedækkede tinder i Asien eller i maven på identiske menneskelige tvillinger, kan sammensætningen af ​​arter i disse samfund variere meget.

Uanset hvor forskellige disse mikrobiomer kan synes at være på overfladen, vil de sandsynligvis udfylde de samme funktioner, hvis de lever i lignende miljøer. En måde at vurdere, hvilke processer de udfører, er at fokusere på de gener, der koder for funktionerne frem for selve arten.

"Hvis du tæller antallet af kopier af gener, der koder for en eller anden funktion, kan deres antal forblive stabile, selvom artssammensætningen i samfundet ændrer sig dramatisk," sagde Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik ved Duke. "En vigtig vej til dette stabilitetsniveau er gennem horisontal genoverførsel."

Horisontal genoverførsel er den proces, hvorved bakterier konstant deler genetiske opskrifter på nye evner ved at bytte pakker af genetisk materiale kaldet plasmider. På et konceptuelt niveau er det ikke helt anderledes end at skabe en kopi af en samling neuroner, der ved, hvordan man laver lasagne, river den ud af dit hoved og giver den til en ven, som kan bruges.

I det nye papir viser Du og hans kolleger, at denne genoverførsel spiller en væsentlig rolle i at holde mikrobiomer sunde og sikre, at kritiske opgaver udføres. Startende med to forskellige arter af bakterier kontrollerede forskerne niveauerne af horisontal genoverførsel og viste, at højere hastigheder førte til mere stabile koncentrationer af disse gener.

Holdet konstruerede derefter et fællesskab af op til 72 bakterier, der byttede op til 13 forskellige gener samtidigt og målte genernes stabilitet. Som med den mere simple model, opretholdt de gener, der blev handlet hyppigere, et mere stabilt niveau i mikrobiomet som helhed.

"Disse resultater er blevet spekuleret om før, men aldrig kvantificeret i levende samfund," sagde du. "Den anden vej til dette niveau af redundans er at have flere arter, der kan udføre den samme funktion. Men et højt niveau af horisontal genoverførsel er en meget mere robust metode til at opnå de samme resultater."

Sagt på en anden måde kunne et byggehold være ekstremt modstandsdygtigt over for elektrikere, der stopper, hvis VVS-installatørerne på stedet også vidste, hvordan man ledninger en bygning. Men den samme besætning ville være endnu mere modstandsdygtig, hvis de resterende elektrikere blot kunne overføre deres ekspertise til enhver på jobbet, når det er nødvendigt, uanset deres profession.

Fremadrettet håber du at studere naturlige mikrobielle samfund for definitivt at bevise, at dette fænomen er vigtigt for et mikrobioms sundhed uden for et laboratorium. Han planlægger også at implementere denne dynamiske arbejdsdeling gennem horisontal genoverførsel i konstruerede mikrobielle systemer.

"Der er tilfælde, hvor komplekse metaboliske veje er vanskelige at konstruere i en enkelt bakterieart, hvor det er lettere at få forskellige populationer til at udføre forskellige trin i processen," sagde du. "Denne undersøgelse tyder på, at vi kan implementere den strategi gennem genoverførsel, så vi ikke behøver at bekymre os om den specifikke sammensætning af arter. Vi kan bare lade samfundet finde den bedste balance for sig selv, mens vi stadig ved, at det vil fortsætte med at få jobbet Færdig." + Udforsk yderligere

Tusindvis af gener udvekslet i mikrobielle samfund, der lever på ost