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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatorka projektu EVOMICROCOMM, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie).
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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), 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(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Comamonas testosteroni(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Microbacterium saperdae(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz Ochrobactrum anthropi(odnośnik otworzy się w nowym oknie). 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.
