Скрытая математика поведения бактерий

Исследователи из лаборатории Рустема Исмагилова в Калифорнийском технологическом институте показали механизм, объясняющий, как небольшие триггеры могут вызывать переход микробиома из полезного состояния во вредное и закреплять его там. Работа опубликована в Science Advances.

Проблема: При таких состояниях, как избыточный бактериальный рост в тонком кишечнике (SIBO), заболеваниях дёсен и раневых инфекциях, анаэробные бактерии (для которых кислород токсичен) начинают размножаться среди аэробов. Это парадоксально для насыщенных кислородом сред.

Ключевая концепция: Математическое моделирование показало, что такие микробные сообщества описываются системой с мультистабильностью и гистерезисом (MSH).

• Мультистабильность — система может существовать в двух или более устойчивых состояниях.
• Гистерезис — система стремится оставаться в текущем состоянии, сопротивляясь изменениям.

Эксперимент: Учёные создали камеру для инкубации, заселив её аэробной и анаэробной бактериями, характерными для SIBO. При повышении уровня сахара до определённого порога сообщество переключилось из состояния с доминированием аэробов в состояние их сосуществования с анаэробами. Это новое состояние сохранялось («застревало») даже после устранения сахара.

Биохимический механизм: Переход обеспечивается метаболическим сопряжением:

1. При высоком уровне сахара аэробная бактерия в процессе метаболизма потребляет так много кислорода, что создаёт вокруг себя зону с низким содержанием O₂, пригодную для жизни анаэроба.
2. Анаэроб выживает, переваривая сложные сахара, недоступные аэробам, и расщепляет их на простые.
3. Аэроб потребляет часть этих простых сахаров, снова используя кислород и поддерживая благоприятную для анаэроба бескислородную зону.

Таким образом, один вид обеспечивает сообщество топливом, а другой — защитой от кислорода. Это состояние становится самоподдерживающимся.

Значение: Понимание динамики переключения состояний микробиома может в будущем помочь в разработке стратегий возврата сообществ к здоровому состоянию. Исследование подчёркивает важность MSH как основы для изучения динамики микробных сообществ в контексте здоровья человека.