В природных сообществах бактерии обмениваются питательными веществами друг с другом. Ученые показали, каким образом микроорганизмы противостоят «мошенникам», которые используют этот поток веществ, но ничего взамен не дают. Статья опубликована в журнале ISME (******The International Society for Microbial Ecology).

Группа ученых из Института Макса Планка изучала возникновение кооперативных отношений между бактериями. Ранее они показали, что обмен питательными веществами между микроорганизмами положительно влияет на их рост. Однако оппортунистические организмы могут представлять большую опасность для подобных сообществ. Такие бактерии используют поток свободных питательных веществ для собственных нужд, ничего не давая взамен. В своей работе исследователи решили выяснить, как сообщества борются с распространением нахлебников.

Ученые создали модельное бактериальное сообщество, состоящее из двух видов микроорганизмов: Acinetobacter baylyi и Escherichia coli. Причем этих бактерий модифицировали таким образом, что они стали выделять во внешнюю среду определенные аминокислоты, необходимые для роста друг друга. Культуру кооперирующих микроорганизмов смешали с оппортунистами и поместили на специальные подложки, сымитировав формирование биопленки.

Микроструктура смешаной колонии кооперирующих микроорганизмов (красные) и оппортунистов (зеленые) по экспериментальным данным (слева) и моделированию (справа). В квадратных рамках синим цветом показано наличие свободных аминокислот в среде. Изображение: S. Pande, F. Kaftan / Max Planck Institute for Chemical Ecology; S. Lang / Department of Bioinformatics, Friedrich Schiller University Jena

Оказалось, что в биопленках кооперирующие бактерии оттесняют оппортунистов на периферию, а сами формируют кооперирующие колонии. Масс-спектрометрический анализ показал, что в центре колоний наблюдалось высокое содержание свободных аминокислот, а оппортунистам снаружи практически ничего не доставалось. Интересно, что в жидкой среде, где нет пространственного разделения веществ, «наказать» оппортунистов не удается и они получают преимущество в росте.

Авторы статьи также провели компьютерное моделирование формирования колоний, и оно воспроизвело сценарий развития, наблюдавшийся в эксперименте. Главным рычагом воздействия на нахлебников оказывается двумерное устройство среды обитания. Оно накладывает ограничение на диффузию питательных веществ в пространстве, из-за чего кооперирующие бактерии ассоциируются в кластеры, а оппортунисты оказываются удаленными из взаимодействий.

Формирование биопленок — важное свойство бактерий. Например, они играют серьезную роль в развитии инфекционных заболеваний, так как могут защищать бактерий от антибиотиков и иммунной системы организма. Изучение развития и динамики микробных сообществ, а также выявление внутренних взаимодействий в системе может дать ключ к новым методам борьбы с патогенами. 

Автор: Анна Образцова