Микрожидкостные среды меняют поведение микробов, открывая возможности для управления их социальной эволюцией

Исследователи из Университета Нотр-Дам под руководством доцента Дервиса Кана Вурала изучили, как можно управлять социальной эволюцией микробов, изменяя физические параметры их среды. Результаты опубликованы в Biophysical Journal.

Микроорганизмы — социальные существа. Они общаются и сотрудничают, выделяя «общественные блага» — вещества (например, пищеварительные ферменты), производство которых энергозатратно, но полезно для всего сообщества. В популяции также существуют «читеры» — свободные наездники, которые мало вкладывают в общее благо, но пользуются им, размножаясь быстрее кооператоров. В конечном итоге это может привести к краху всей популяции.

Ключевой вывод: «Динамика жидкости меняет всё», — говорит Вурал. Моделирование показало, что, контролируя поток жидкости, можно управлять социальной структурой микробных сообществ.

Механизм воздействия: Поток жидкости создает сдвиговые усилия, которые разрывают микробные кластеры. «Если кластеры фрагментируются чаще, чем появляются мутанты-читеры, сотрудничество побеждает», — объясняет Вурал. Таким образом, меняя режим течения, можно контролировать уровень кооперации.

Методы управления: В моделях исследователи применяли различные потоки через камеры, воронки, микроканалы, фильтры и химические вещества, иногда импульсами. Например, создание вихря локализовало кооператоров внутри кольца, а читеров выталкивало на внешний край среды.

Возможности: Этот подход не подавляет способность микробов выделять вещества, а создает среду, которая заставляет популяцию эволюционировать в нужном направлении. Можно:

• Стимулировать кооперацию, защищая популяцию от читеров.
• Поощрять читеров, чтобы уничтожить нежелательную популяцию.
• Тонко настраивать степень сотрудничества.

Перспективы: Вурал признает, что воплощение этих идей в эксперимент будет сложной задачей, требующей высокоточной микрофлюидной установки. Однако результаты многообещающи и мотивируют развитие новой области — «эволюционной инженерии». Это может найти применение в борьбе с инфекциями, очистке сточных вод или получении альтернативной энергии.