Investigadores del Instituto de Investigación Científica de Medicina Físico-Química, MIPT, la compañía M&S Decisions y el departamento de investigación de Yandex han construido un modelo informático de la interacción entre diferentes bacterias, y entre las bacterias y la pared intestinal. Esto los ha llevadopara explicar cómo se desarrollan y se propagan los microbios resistentes a los antibióticos; los detalles del estudio se han publicado en la revista PLOS UNO .
El intestino humano contiene billones de bacterias diferentes, que en conjunto se denominan microbiomas. Las bacterias nos protegen de microorganismos dañinos, producen enzimas digestivas y ayudan al sistema inmunitario a funcionar normalmente. Muchas enfermedades, como la obesidad, la enfermedad de Crohn, el cáncer de colony otros procesos inflamatorios están asociados con un cambio en el microbioma intestinal. Los investigadores construyeron un modelo de la interacción entre dos tipos de bacterias y el intestino y determinaron qué sucede cuando se toman antibióticos que matan una gran cantidad de microorganismos.
"En la ciencia biomédica, ahora estamos recopilando activamente información que es extremadamente importante para la bioinformática, información que nos permite construir modelos de sistemas complejos. En nuestro estudio, utilizamos un método de modelado simple: modelado basado en agentes ABM - para recrear los procesos que involucran bacterias que tienen lugar en el intestino y explicar algunos efectos interesantes cuando ocurre la resistividad ", dijo Dmitry Alexeev, Subdirector del Laboratorio de Biología de Sistemas del MIPT y autor correspondiente del estudio.
Los investigadores estaban interesados en una serie de cuestiones importantes: en primer lugar, la velocidad a la que se restableció el número de bacterias después de la terapia con antibióticos. En segundo lugar, los científicos estaban interesados en encontrar qué proporción de bacterias no se veía afectada por los antibióticos, y en tercer lugarEl modelo describe en detalle el proceso de retroalimentación entre las bacterias y la pared intestinal. La pared intestinal absorbe activamente ciertas sustancias y produce otras, lo que afecta el número de bacterias y su "estado de salud": si el número de bacterias en estos procesos esalterado, es difícil obtener resultados adecuados.
Las sustancias producidas por las bacterias y las paredes intestinales fueron uno de los principales puntos focales en el nuevo modelo. Estos compuestos, que se forman por la fermentación bacteriana de los carbohidratos, pueden realizar diferentes funciones a la vez: por ejemplo, pueden ser toxinas para unotipo de bacteria y "alimento" para otro tipo. Si ciertas bacterias comienzan a producir demasiada sustancia que es venenosa para ellos, su número disminuye automáticamente, los científicos llaman a esto retroalimentación negativa. La pared intestinal también puede producir compuestos queson perjudiciales para las bacterias ¡pero no para los intestinos mismos! o los carbohidratos que los microorganismos pueden digerir como nutrientes.
El modelo también permitió a los científicos observar la ubicación de las cepas en el intestino y cómo cambia su posición después de que la pared intestinal o las bacterias producen varias sustancias. La visualización del modelo mostró que la estructura espacial es un factor clave que ayudabacterias para sobrevivir y adaptarse a las condiciones cambiantes de su entorno.
Usando el modelo, los investigadores pudieron demostrar que incluso después de la terapia con antibióticos puede haber más bacterias que son sensibles a los efectos del medicamento antibiótico que las que son resistentes a él. Esta conclusión puede parecer contradictoria, pero eshecho cierto: la resistencia a los antibióticos tiene un precio para los microorganismos. Los antibióticos funcionan al alterar los mecanismos bioquímicos que son de vital importancia para la función de los microbios por ejemplo, el bloqueo de la síntesis de proteínas o las enzimas respiratorias, lo que significa que solo pueden sobrevivir concambios importantes en la estructura de las proteínas clave, o mediante la producción de moléculas que neutralizan la droga. Al alterar sus propiedades bioquímicas o al usar recursos en reacciones químicas adicionales, las bacterias inevitablemente pierden eficiencia: consumen "alimentos" más lentamente, se dividen más lentamente y, por lo tanto,Ciertamente no es el caso de que estos microbios sean capaces de expulsar microorganismos comunes. El hecho de que ahora tenemos un número crecientede cepas resistentes a los antibióticos es importante tanto desde el punto de vista científico como médico.
Observar la posición de las bacterias en el intestino en el modelo también permitió a los investigadores explicar la posible ventaja de las cepas resistentes, que podrían perder a rivales menos resistentes, pero más rápidos. Los investigadores dicen que las regiones dominadas por un tipo particular de bacteriaAquí juegan un papel clave: en estas regiones, las cepas "lentas pero resistentes" simplemente suprimen la competencia. Los mecanismos de retroalimentación y la producción y absorción de sustancias en la pared intestinal también tienen un efecto en la proporción de bacterias resistentes y sensibles.Los mecanismos de retroalimentación involucrados, más lenta es la reducción en el número de bacterias sensibles, mientras que las cepas resistentes mueren más rápido. Los investigadores creen que los estudios adicionales en esta área serán útiles para comprender las causas fundamentales de la aparición de bacterias resistentes a los antibióticos y para desarrollarmedicamentos dirigidos a los patógenos.
Biofísica y el enfoque del sistema
El microbioma intestinal no es tradicionalmente un área estudiada en MIPT: desde su fundación, MIPT ha sido conocido como un centro de capacitación de físicos con un enfoque en temas aplicados y de ingeniería como la microelectrónica, la industria aeroespacial y la tecnología de la información. Sin embargo,En los últimos años, el instituto ha comenzado a examinar más de cerca el campo de las ciencias de la vida, y no solo en las facultades de física biológica y médica, sino también en el Departamento de física general y física "puramente física", que ahora tiene supropia sección de biofísica. Se ha construido un nuevo departamento biofarmacéutico en el campus, se han abierto nuevos laboratorios para estudiar la estructura de las proteínas, y también se han celebrado conferencias especializadas en el departamento.
No es casualidad que los físicos se estén moviendo hacia la biología. La biología y la medicina modernas involucran métodos físicos y químicos complejos por ejemplo, se obtienen simulaciones detalladas de moléculas de proteínas utilizando láseres y aceleradores de rayos X y una gran cantidad de datos, quesolo se puede analizar utilizando equipos informáticos potentes y algoritmos optimizados de forma inteligente. La combinación de grandes volúmenes de datos con biología incluso ha llevado al desarrollo de una disciplina separada: la bioinformática.
Según uno de los autores del estudio: el Jefe del Departamento de Matemáticas Discretas del MIPT y el Jefe del Departamento de Investigación Teórica y Aplicada de Yandex, Andrei Raigorodskii, los matemáticos se involucraron porque la tarea requería, entre otras cosas, unopinión experta en teoría de grafos, que se utilizó activamente como parte del proyecto. "No solo el Departamento de Física General y Aplicada se está moviendo hacia la ciencia de la vida; los matemáticos, que por cierto juegan un papel cada vez más importante en MIPT, también están interesados en aplicar susmétodos para problemas en biología y medicina ". Las" redes complejas "que mis departamentos de investigación en MIPT y Yandex están utilizando activamente se encuentran en todas partes de nuestro entorno y sociedad: tenemos redes sociales, e Internet, redes en economía y redes.en biología también. Me complace que nuestra colaboración haya resultado en una publicación interesante e informativa, y espero que el tema sea devfugado más lejos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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