Бактериальные колонии скорее предпримут «эволюционное самоубийство», чем будут мириться с штаммами-мошенниками, которые берут ресурсы из колонии, ничего не возвращая. Колонии бактерий определяют уровень требуемых от других микроорганизмов «общественных благ» с помощью кворума.
Это вывод, сделанный группой исследователей, которые смоделировали, как колония реагирует на бактерии, которые потребляют больше, чем им положено.
Бактерии часто работают вместе как колония, чтобы выжить, производя ресурсы, которые используются другими бактериями. Например, они часто выделяют ферменты, которые расщепляют источники пищи на питательные вещества, что приносит пользу соседним бактериям. Однако некоторые могут быть эгоистичными, потребляя ресурсы и не внося их.
«Для бактерий вклад в общественную жизнь обходится дорого, и эгоистичные просто берут, ничего не отдавая взамен», говорит ведущий автор исследования, биолог-вычислитель из Йоркского университета в Торонто Алекс Моффет. «Но очевидно, что это плохо для всех, поэтому сообществу нужен способ воспрепятствовать плохому поведению». Колонии бактерий определяют уровень биохимических продуктов (также известных как «общественные блага») в зависимости от плотности бактериального населения, используя систему, называемую определением кворума.
Чувство кворума работает, регулируя экспрессию кооперативных генов в популяции бактерий с помощью небольших молекул, называемых аутоиндукторами.
Чем больше бактерий, тем больше накапливается аутоиндукторов. Если концентрация аутоиндукторов превышает критический уровень, это вызывает изменения в бактериях, которые как группа переросли имеющиеся ресурсы.
С помощью математической модели исследователи обнаружили, что определение кворума наказывает нахлебников, уменьшая доступность общих ресурсов. Но в некоторых случаях наказание мошенников вредит выживанию всей колонии, поскольку производителям также не хватает ресурсов.
«В отсутствие альтернативных питательных веществ, ощущение кворума производителями удерживает единственный источник питательных веществ от всей популяции, что наносит вред как производителям, так и мошенникам с точки зрения среднего времени вымирания общей популяции», пишут исследователи.
«Мы не ожидали увидеть такое поведение, которое можно даже назвать «злобным», — объясняет Эндрю Экфорд, вычислительный биолог из Йоркского университета. «Но это указывает на то, что определение кворума является удивительно гибким инструментом для обеспечения справедливости».
Исследователи описывают такое поведение как «возможный пример демографически стохастического эволюционного самоубийства».
Хотя математические модели полны предположений, они являются полезными инструментами, которые помогают ученым понять сложные динамические системы. В этом случае понимание жестоких компромиссов, на которые идут бактериальные колонии, чтобы выжить, может, при дальнейших исследованиях, пролить свет на то, как бактериальные инфекции закрепляются и вызывают болезни.
Например, люди с кистозным фиброзом часто заражаются легочными инфекциями, нередким виновником которых является Pseudomonas aeruginosa – устойчивая к лекарствам «супербактерия».
В легких P. aeruginosa образует небольшие плотные биопленки из примерно 1000 бактериальных клеток, которые действуют как прочный защитный слой, что затрудняет уничтожение бактерий и устранение инфекции с помощью антибиотиков. По словам Моффетта, математическое моделирование ощущения кворума может помочь исследователям понять, как бактерии могут так эффективно колонизировать легкие, что может указать путь к новым методам лечения.
Исследование опубликовано в PLOS Computational Biology.
