Почему многие микроорганизмы не растут в лаборатории

Микробные экосистемы — например, в морской воде, почве или кишечнике человека — поразительно разнообразны. Однако исследователи часто сталкиваются с трудностями при воспроизведении этого разнообразия в лаборатории: многие микроорганизмы погибают при попытках их культивирования.

Новое исследование учёных из Института функционального морского биоразнообразия имени Гельмгольца при Ольденбургском университете (HIFMB, Германия) предлагает свежий взгляд на эту давнюю проблему. Оно предполагает, что выживание микробов зависит не только от потребностей отдельных видов, но и от скрытой сети взаимоотношений, которая может рухнуть даже из-за небольших структурных изменений.

В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, эксперты по биоразнообразию д-р Томас Клегг и проф. д-р Тило Гросс рассматривают микробные сообщества как упрощённую сеть, основанную на перекрёстном питании — обмене побочными продуктами метаболизма между популяциями. Каждый вид нуждается в питательных веществах и одновременно выделяет вещества, необходимые в пищу другим.

Клегг и Гросс смоделировали эту сложную сеть, используя новый подход. Они применили инструменты теории сетей — математический метод, разработанный физиками, — чтобы понять поведение сложных систем.

Результат анализа: в модели потеря отдельных популяций может привести к коллапсу всей сети, при котором микробное сообщество резко переходит в состояние с меньшим разнообразием. «Эти коллапсы действуют как переломные моменты, напоминая отключения электроэнергии в сетях или сбои в цепочках поставок, наблюдавшиеся во время пандемии COVID-19», — объясняет ведущий автор Клегг.

Попытка вырастить микробное сообщество в лаборатории является примером такого возмущения. Например, если в образец не попали все члены естественного микробного сообщества, они будут отсутствовать как производители метаболитов, жизненно важных для других видов. «Сосредоточившись на структуре этих взаимодействий, исследование предлагает новое понимание того, почему разнообразие так трудно поддерживать в лабораторных условиях», — поясняет Гросс.

Хотя исследователи давно подозревали, что зависимости между микробами играют ключевую роль в нашей способности их выращивать, это исследование впервые показывает, как это работает во всём сообществе. Результаты предлагают новый взгляд на устойчивость микробов, подчёркивая, что даже в богатых ресурсами средах, таких как лабораторные культуры, сообщества могут не выжить, если сети взаимоотношений нарушены.

Ключевым моментом является то, что модель также показывает: после коллапса сообщества восстановление может быть трудным, даже если ресурсы снова вводятся. «Дело не только в том, что нужно отдельным микробам, но и в том, от кого они зависят, — говорит Клегг. — Всё сообщество либо процветает, либо рушится вместе».