La apreciación científica y pública de los microbios, y el papel clave que desempeñan sus acciones comunales en la salud ambiental, la producción de alimentos y el bienestar humano, ha crecido en los últimos años. Aunque inicialmente se consideraban entidades estáticas y uniformes, las comunidades microbianas son altamentecomplejo y contienen intercambios químicos internos que están en constante flujo.
Investigadores en Illinois dirigidos por el Profesor Asociado de Bioingeniería Ting Lu BCXT / BSD / CABBI / MME han demostrado que la dinámica de estas comunidades puede explicarse e incluso predecirse al examinar el rasgo de variabilidad de las interacciones sociales microbianas. Lu y sus coautores., incluidos los primeros coautores Feng Liu y Junwen Mao y el Presidente Distinguido de Grainger en Ingeniería Rashid Bashir ONC-PM / RBTE, compartieron su trabajo en Comunicaciones de la naturaleza.
"El objetivo final de nuestra investigación es desarrollar estrategias efectivas para programar la composición y la funcionalidad de las comunidades microbianas", dijo Lu. Este objetivo más amplio es compartido por el grupo de investigación de Ingeniería Metabólica del Microbioma en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, de los cuales Lu es miembro. "Pero para lograr este tipo de capacidad de ingeniería, hay varios pasos clave. El primer paso es comprender cómo cambian las comunidades microbianas con el tiempo, el segundo es predecir la dinámica y el tercero espara diseñarlo "
En el presente estudio, el grupo de Lu tuvo como objetivo comenzar una transición entre el primer y el segundo paso, desde la perspectiva de las interacciones microbianas como la competencia y la cooperación, las principales fuerzas motrices bióticas de los comportamientos de la comunidad.
"Cada vez hay más pruebas de que las interacciones microbianas son dinámicas con el tiempo, en lugar de invariantes", dijo Lu. "A menudo cambian con las señales ambientales, como el pH, los nutrientes y el estrés, y también son subjetivas para la población de microbios que generaninteracciones y la presencia de otras especies ".
"Pero hay pocas investigaciones experimentales que están tratando de dilucidar cómo tales variaciones contribuyen a las estructuras de la comunidad", continuó Lu. "Presumimos que esta forma de variación es un determinante importante que regula la dinámica de la comunidad y que su caracterización puede potenciar las prediccionesde la sucesión del ecosistema de abajo hacia arriba "
Para probar las hipótesis, Lu y sus colegas querían utilizar comunidades en las que las bacterias cooperan o compiten de manera fácilmente observable y controlable. Se dirigieron a comunidades sintéticas de Lactococcus lactis , la bacteria que ayuda a fermentar la leche en queso, debido a su complejidad reducida en comparación con las ecologías nativas.
Una forma importante en que los microbios interactúan es a través del intercambio de los compuestos que producen: nutrientes, señales químicas e incluso toxinas que matan a los competidores. El equipo de Lu creó dos L. lactis cepas, Cα y Cβ, cada una de las cuales podría producir una subunidad de un péptido antimicrobiano proteína pequeña llamada nisina.
"Cada una de las cepas puede producir una subunidad inactiva. Sin embargo, cuando se unieron, las dos cepas liberaron subunidades que se autoensamblan en nisina activa", dijo Lu. Los experimentos confirmaron que, cuando se unieron, los Cα y Cβ diseñadosde hecho podría cooperar para luchar contra Ks, otra cepa que produce su propia toxina.
El equipo examinó los resultados de las comunidades formadas por Cα, Cβ y Ks, y descubrió que aumentar las variaciones de la cooperación Cα - Cβ, ya sea de partición laboral alterada o muestreo aleatorio, conduce a la comunidad a estructuras distintas. También estudiaron el ecosistemaSucesión en diferentes pH ambientales utilizando Cα, Cβ y otra cepa, Kp, que es resistente a la bacteriocina a ciertos niveles de acidez.Su estudio demostró que, cuando la cooperación y la competencia se modulan adicionalmente por el pH, la sucesión del ecosistema se controla conjuntamente por las variacionesde ambas interacciones y produce dinámicas más diversificadas: algunas comunidades cambiaron drásticamente con el tiempo, mientras que otras se mantuvieron más estables.
Los investigadores construyeron modelos matemáticos que incorporaron explícitamente la variabilidad de la interacción en la descripción del ecosistema.
"Pedir una integración perfecta del experimento y el modelado fue la parte más difícil [del estudio]. Pero también fue la parte más emocionante, porque el modelo, que incorporó la variabilidad de las medidas experimentales, nos permitió correctamentepredecir el comportamiento [de las comunidades microbianas] ", dijo Lu.
El equipo espera que este trabajo sirva como un paso fundamental hacia el análisis, la predicción y la ingeniería de comunidades complejas como aquellas en las que confiamos para muchos esfuerzos humanos y nuestra propia salud ". Este estudio utilizó consorcios sintéticos simples,"Lu dijo:" Esperamos con interés trabajar en comunidades naturales ... con suerte, al estudiar esas ecologías nativas, podremos establecer reglas básicas de organización comunitaria e incluso desarrollar la factibilidad para diseñar la funcionalidad del ecosistema ".
El primer autor Feng Liu también está afiliado a la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental; el primer autor Junwen Mao también es físico en la Universidad de Huzhou. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Oficina de Investigación Naval y el Departamento deEnergía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Original escrito por Claudia Lutz. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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