Переосмысление дикого мира видового разнообразия микробов
Биологи из Университета Мэриленда создали первые математические симуляции бактериальных сообществ, которые учитывают сложные взаимодействия и быструю эволюцию между бактериями и отражают огромное видовое разнообразие, наблюдаемое в реальной жизни.
Их работа, опубликованная 4 января 2022 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, устанавливает новую теоретическую основу для изучения бактериальных сообществ и закладывает фундамент для улучшения пробиотической и антибиотической терапии.
Изучение бактериальных сообществ — это как попытка понять дикую природу в мире, где слоны с морщинистой серой кожей и слоны с перьями толкаются у водопоя рядом с птицами с хоботами, зебрами с чешуей и львами, которые эволюционировали, чтобы питаться травой. На следующий день могут появиться новые животные с еще более смешанными признаками.
В бактериальном мире тысячи видов могут существовать бок о бок в текучем состоянии эволюции. Отдельные бактерии захватывают фрагменты ДНК у своих соседей, быстро приобретая новые признаки и размывая границы между видами. Добавляя хаоса, сообщество находится в постоянном состоянии войны, определяемом сложными и постоянно меняющимися альянсами. Одни виды пожирают друг друга или изрыгают токсины, чтобы убить или обезвредить других, в то время как другие, кажется, защищают друг друга от агрессоров.
«Этот тип очень текучего состояния между видами и эти очень сложные взаимодействия — не то, что мы видим в экологии и эволюции на нашем человеческом масштабе, поэтому традиционные теоретические модели не были эффективны для объяснения того, как микробные сообщества формируются и поддерживают разнообразие», — сказал Аншуман Суэйн, аспирант биологических наук в UMD и ведущий автор нового исследования.
Наличие правильных инструментов для изучения микробных сообществ важно, потому что микробы необходимы для здоровья человека и жизни на Земле. Микробы вызывают и предотвращают болезни, расщепляют пищу и отходы, помогают регулировать иммунную систему. А видовое разнообразие в бактериальных сообществах критически важно для всего — от здоровой пищеварительной системы до сбалансированного ответа на антибиотики.
Обычные правила биологии предполагают, что конкуренция между видами должна снижать разнообразие и приводить к возвышению нескольких отчетливых доминирующих видов. Очевидно, эти правила не отражают реальность под микроскопом. Отчасти это потому, что они обычно учитывают взаимодействия только между двумя видами за раз и не принимают во внимание высокую скорость эволюции, наблюдаемую у микробов.
Отсутствие достаточно сложной теоретической основы, учитывающей сложные правила, управляющие динамикой сообществ, мешало попыткам разработать предсказания, которые ученые могли бы проверить в ходе значимых экспериментов в реальном мире.
«Было очень мало теории, которая включала бы сложные взаимодействия, чтобы сказать экспериментаторам, что возможно, на что обращать внимание или как ожидать поведения сообщества при определенных условиях», — сказал Суэйн. «Очень трудно проводить эксперименты со многими видами, которые все взаимодействуют и влияют на взаимодействия далее в сообществе. А как еще и угнаться за быстрыми мутациями поверх этого?»
Чтобы решить эту проблему, Суэйн работал с заслуженным университетским профессором биологии UMD Биллом Фейганом и Леви Фасселлом из Эдинбургского университета над созданием компьютерных симуляций, включающих эти уникальные сложности. После запуска более 10 миллионов симуляций с различными параметрами команда определила три ключевых фактора, влияющих на видовое разнообразие, впервые указав на аспекты динамики микробных сообществ, на которых экспериментаторы могут сосредоточиться при задавании вопросов о микробном разнообразии:
- Высокоуровневые взаимодействия — взаимодействия между двумя или более видами, которые регулируются одним или несколькими дополнительными видами. Например, вид A производит токсин, убивающий вид B, но вид C нейтрализует этот токсин, если находится рядом, и вид B выживает.
- Горизонтальный перенос генов, который создает «непрерывное пространство признаков». Это означает, что генетическое смешение вызывает слияние признаков между изначально различными видами и приводит к сообществу с континуумом общих признаков.
- Высокие скорости мутаций среди видов в сообществе.
Сосредоточившись на этих трех факторах, исследователи разработали алгоритмы для моделирования роста и эволюции бактериальных сообществ. Их модели учитывали беспрецедентное разнообразие в сообществах с практически неограниченным количеством видов, разделяющих признаки вдоль континуума. (Традиционные математические модели, пытавшиеся включить сложные взаимодействия между видами, как правило, были ограничены пятью или менее отчетливыми видами.)
В своих моделях Суэйн и его коллеги обнаружили, что лучшим предиктором видового разнообразия было время, необходимое сообществу для достижения равновесия, то есть состояния, когда количество бактерий и физическое пространство, которое они занимают, относительно стабильны. Когда сообщество стабилизировалось очень быстро или очень медленно, разнообразие падало, и доминировали всего несколько видов.
Но где-то посередине разнообразие процветало. В этой средней зоне скорость мутаций и подвижность бактерии в сообществе (насколько далеко она может распространиться на новую территорию) определяли количество разнообразия в сообществе.
Вооруженные этой новой основой, экспериментаторы должны быть лучше подготовлены для решения важных вопросов, таких как разработка антибиотиков, поддерживающих разнообразие в микробиоме кишечника, или предотвращение доминирования устойчивых к антибиотикам штаммов бактерий при инфекции.
Исследовательская статья «Higher-order effects, continuous species interactions, and trait evolution shape microbial spatial dynamics», Аншуман Суэйн, Леви Фасселл и Уильям Ф. Фейган, была опубликована в PNAS 4 января 2022 года.