Когда штаммы E. coli играют в "камень-ножницы-бумагу", выживает не сильнейший

Бактерии окружают нас повсюду, в том числе внутри нашего тела, например, в опухолях. Изучение этих "маленьких экосистем" может стать ключом к новым методам лечения рака.

Исследователи из Института BioCircuits Калифорнийского университета в Сан-Диего выяснили, что происходит, когда разные штаммы бактерий сосуществуют в одной системе. Их работа "Survival of the weakest in non-transitive asymmetric interactions among strains of E. coli" опубликована в Nature Communications.

Команда под руководством профессора Джеффа Хасти сконструировала три штамма E. coli так, чтобы каждый производил токсин, убивающий один другой штамм, по аналогии с игрой "камень-ножницы-бумага".

Ход эксперимента и неожиданный результат

Учёные смешали три популяции и позволили им расти на чашке Петри в течение нескольких недель. В повторяющихся экспериментах одну и ту же популяцию захватывала всю поверхность — и это был не сильнейший штамм (с самым сильным токсином).

Было две гипотезы: победит либо "враг сильнейшего" (штамм, который атакует сильнейший), либо самый слабый. Эксперимент подтвердил вторую гипотезу: слабейшая популяция последовательно захватывала чашку.

Механизм "камень-ножницы-бумага"

Если условно принять:

• "Камень" — штамм с сильнейшим токсином.
• "Ножницы" — штамм, который он убивает.
• "Бумага" — штамм, который убивает только "ножницы".

"Камень" быстро уничтожает "ножницы". Поскольку "ножницы" были единственным врагом "бумаги", у "бумаги" не остаётся противников. Она получает возможность медленно, но верно вытеснять "камень", который не может себя защитить.

Математическая модель и значение работы

Исследователи также разработали математическую модель, симулирующую взаимодействие трёх популяций из различных начальных паттернов (полосы, кластеры, концентрические круги). Модель показала, что сильнейший штамм мог победить, только если изначально находился в центре концентрических колец.

Поскольку микробы в теле человека в 10 раз превосходят по числу человеческие клетки, а дисбаланс в микробиоме связан с множеством заболеваний, способность создавать сбалансированные искусственные экосистемы открывает новые возможности для синтетической биологии. Работа группы Хасти может заложить основу для создания синтетических микробиомов, доставляющих активные соединения для лечения метаболических расстройств, болезней и опухолей.