La competencia dentro de poblaciones bacterianas mixtas puede dar lugar a dinámicas de crecimiento complejas. Los investigadores de Ludwig-Maximilians-Universitaet LMU en Múnich están investigando la interacción entre las tasas de crecimiento diferencial y los factores estocásticos para determinar la composición de tales poblaciones.
¿Cómo reaccionan las bacterias a las fluctuaciones en su entorno? ¿Cómo responden al estrés abiótico o a la competencia con otros microbios? Y en las poblaciones mixtas, ¿qué factores determinan cuáles de las especies o cepas competidoras ganan al final? Estas preguntas sonNo es fácil responder, ya que las comunidades bacterianas representan ecosistemas complejos y dinámicos. El impacto de las fluctuaciones en las tasas de crecimiento en los cultivos bacterianos puede investigarse en un nivel abstracto con la ayuda de leyes dinámicas y teoría de la probabilidad, pero los resultados deben verificarse mediante experimentos.Un equipo de biofísicos en LMU, dirigido por la Dra. Madeleine Opitz, ahora ha utilizado una combinación de experimentos y teoría matemática para comprender, en escalas que van desde unos pocos cientos de células hasta colonias visibles que consisten en miles de millones de miembros, la composición cambiantede una población bacteriana mixta cuyas cepas constituyentes compiten entre sí. Los resultados aparecen en la revista de acceso abierto PLOS Biología .
El estudio reveló que en el sistema modelo elegido por Opitz y sus colegas, el lado ganador se hace evidente en una etapa muy temprana del crecimiento de la población, cuando el número de células aún es relativamente pequeño. Los investigadores examinaron la dinámica de crecimiento en unpoblación mixta compuesta por dos cepas de Escherichia coli. Una de ellas puede sintetizar y liberar una toxina llamada ColicinE2, a la cual la segunda cepa es sensible.
Con esta información sola, no hace falta pensar mucho qué cepa gana. Pero el sistema experimental es bastante más complicado. Primero, la cantidad de células sensibles a toxinas en la población inicial supera la de los productores de toxinaspor un factor de 100. En segundo lugar, no todos los productores potenciales realmente sintetizan ColicinE2 y, además, la liberación de la toxina se acompaña de la muerte de la célula productora. En estas condiciones, surge una clara división del trabajo dentro de la cepa productora. Algunas células producenla toxina, mientras que el resto asume la tarea de reproducción y proliferación. La fracción de células que adopta cada uno de estos roles está en parte determinada por la naturaleza del medio ambiente. La producción de toxina se estimula bajo condiciones estresantes, lo que los investigadores impusieron al agregardiferentes concentraciones de un antibiótico para el cultivo. Como explica Opitz, el estrés en forma de antibiótico activa un tipo específico de función SOS en la bacteria, queich desencadena contramedidas y promueve la producción de toxinas mientras que el antibiótico también reduce las tasas generales de crecimiento.
En ausencia del estrés inducido por la adición del antibiótico, la cepa sensible, que estaba presente en un exceso de 100 veces sobre el productor de toxina al principio, generalmente ganó, aunque también se observó una coexistencia estable de ambas cepas bajoPor otra parte, la división del trabajo dentro de la población productora le dio una ventaja decisiva y, en la gran mayoría de los casos, emergió como el vencedor.
Aunque la distribución de la "responsabilidad" para la reproducción y la producción de toxinas define el rango de resultados disponibles, las decisiones tomadas por miembros individuales de la cepa productora de toxinas durante las primeras horas después de la inoculación del cultivo determinan el resultado real de cada competencia. La "decisión" de una célula bacteriana individual de producir ColE2 es un evento aleatorio. El resultado medio de una serie de eventos aleatorios, al igual que la distribución general de los resultados de una sucesión de tiradas de dados, puede predecirse. Pero la probabilidadque cualquier célula produzca la toxina no puede evaluarse tan fácilmente. Estas fluctuaciones estadísticas producen el ruido de fondo que hace que sea muy difícil para los modelos matemáticos proporcionar predicciones claras con respecto a las iteraciones individuales de tales procesos probabilísticos.el número de células potencialmente productoras de toxinas 1 o 4 incluidas, por casualidad, en el inóculo inicial tiene una importanciaImpacto en el resultado de la competencia, dice Opitz.
"Es fascinante observar", comenta el primer autor Benedikt von Bronk, cómo las elecciones dictadas por eventos aleatorios entre el pequeño número de bacterias presentes en el cultivo al principio pueden tener un impacto tan grande en la composición de una población mucho más grande decélulas mucho más tarde ".
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Materiales proporcionado por Ludwig-Maximilians-Universitaet Muenchen LMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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