Toksyczność może skłaniać drobnoustroje do współpracy
Drobnoustroje są modelowymi systemami dostarczającymi wielu informacji na temat ekologii i ewolucji większych organizmów, a ich szybko rosnące populacje stanowią praktyczny materiał do badań laboratoryjnych. Są one również ważne same w sobie, dostarczając niezbędnych składników odżywczych, których niektóre organizmy nie są w stanie łatwo wchłaniać w inny sposób, na przykład niektóre zwierzęta (w tym ludzie) witaminy K, a rośliny azotu. Ponieważ drobnoustroje mogą być patogenne, lepsze ich zrozumienie mogłoby pomóc w ograniczeniu chorób zakaźnych, a także innych chorób zależnych od drobnoustrojów, takich jak otyłość. „Podczas gdy nasze przetrwanie jest wyraźnie związane z drobnoustrojami, wciąż wiele nie wiemy na przykład na temat tego, czy poszczególne gatunki konkurują ze sobą, czy współpracują”, mówi Sara Mitri, koordynatorka projektu EVOMICROCOMM, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.
Modelowy system
Badanie drobnoustrojów w ich naturalnym środowisku jest trudne ze względu na różnorodność gatunków, a statyczne środowiska laboratoryjne słabo je odwzorowują. Zespół projektu EVOMICROCOMM opracował system modelowy: składający się z czterech gatunków i wykorzystujący olej przemysłowy, który przypominać ma ich naturalne środowisko. „Jest to jedno z pierwszych badań, które dokładnie śledzi zmieniające się interakcje między gatunkami drobnoustrojów, rzucając światło na współewolucję społeczności i zależności środowiskowe”, wyjaśnia Mitri z Uniwersytetu w Lozannie, będącego gospodarzem projektu. Kluczowym odkryciem projektu było to, że wzajemne oddziaływania między drobnoustrojami zależą od kontekstu, a toksyczne środowiska czasem prowadzą do korzystnych interakcji, jeśli przynajmniej jeden gatunek jest zdolny do rozkładu toksyn. „Nasz nowy wzorzec społeczności można również potencjalnie zastosować do każdej społeczności drobnoustrojów, w tym kompostu i społeczności probiotycznych”, dodaje Mitri.
Konkurencja czy współpraca?
Zespół pracował z czterema gatunkami bakterii: Agrobacterium tumefaciens, Comamonas testosteroni, Microbacterium saperdae oraz Ochrobactrum anthropi. Wcześniej stwierdzono ich zdolność do wzrostu w wybranym oleju przemysłowym, płynie do obróbki metali. Ponieważ olej ten uważa się za substancję zanieczyszczającą, zrozumienie obecnych w nim ekosystemów drobnoustrojowych ma potencjalnie ważne praktyczne zastosowanie w bioremediacji. „Gdy zdaliśmy sobie sprawę, że możemy wykorzystać toksyczność oleju jako cechę, zaobserwowaliśmy, iż choć drobnoustroje nie mogą łatwo wzrastać w toksycznym środowisku w pojedynkę, to jednak są do tego zdolne jako społeczność. Jeśli będziemy nadal opracowywać podłoża, na których mogą wzrastać wszystkie gatunki, możemy nie dostrzec tych interakcji”, mówi Mitri. Zespół badał, w jaki sposób poziomy toksyczności kształtują ekologię drobnoustrojów. Pojedynczy związek, toksyczny w wysokich stężeniach, zdawał się skłaniać do współpracy, ale po ograniczeniu jego ilości dominującą interakcją stawała się konkurencja gatunkowa. W ramach drugiego eksperymentu, po pozostawieniu społeczności składającej się z czterech gatunków do rozwoju w oleju przemysłowym, zaobserwowano, że po utrzymywaniu przez pewien czas korzystnych interakcji, społeczność ta wspólnie odparła dodany przez zespół nowy gatunek. W ramach projektu EVOMICROCOMM zaprezentowano również nową metodę projektowania społeczności drobnoustrojów. Przed eksperymentami z użyciem rzeczywistych społeczności najpierw opracowano modele obliczeniowe, które przewidują tempo wzrostu społeczności w toksycznych warunkach. Algorytm przewidział optymalną kombinację gatunków najlepiej rozkładających zanieczyszczenia w oleju przemysłowym – dwa z pierwotnie wybranych gatunków i dwa nowe. „Nasze podejście do hodowli sprawdza się lepiej niż poprzednie wysiłki, ponieważ ułatwia zamianę gatunków, rozszerzając zakres możliwych kompozycji”, dodaje Mitri.
Szeroki zakres korzyści
Ustalenie, w jaki sposób i które gatunki czerpią korzyści z toksycznych (dla nich) antybiotyków, może doprowadzić do bardziej ukierunkowanych terapii, przeciwdziałając dalszemu rozwojowi antybiotykooporności. Z kolei opracowane w ramach projektu wzorce społeczności są szczególnie przydatne w procesach przemysłowych mających na celu rozkład kompostu lub tworzyw sztucznych, przekształcając je w biopaliwa lub inne produkty chemiczne – są to tematy, nad którymi obecnie pracuje zespół projektu. „Zwróciły się już do nas laboratoria zainteresowane tym rozwiązaniem, jak również przekształcaniem włókien roślinnych w etanol”, podsumowuje Mitri. Tymczasem zespół sprawdza, czy ich podejście można zastosować do innych ekosystemów, ponownie budując i testując modele matematyczne.
Słowa kluczowe
EVOMICROCOMM, drobnoustrojowy, antybiotyki, współpraca, konkurencja, toksyczny, bakterie, gatunki, składniki odżywcze, olej, tworzywa sztuczne
