Ученые создали синтетический микробиом для изучения конкуренции и перекрестного питания

В природе микробы существуют в сложных сообществах — микробиомах. Их сложность затрудняет изучение взаимодействий между видами. Поэтому ученые используют специально собранные синтетические сообщества (SynCom) для детального изучения таких процессов, как конкуренция и перекрестное питание (когда микробы производят питательные вещества для других).

В этом исследовании ученые создали сообщество из четырех микроорганизмов, участвующих в разложении целлюлозы до парниковых газов — метана и углекислого газа. На основе этого был построен математическая модель, описывающая перенос углерода и электронов в метаболической сети сообщества.

Эту модель использовали, чтобы предсказать, как микробы отреагируют на увеличение концентрации сульфатов. Повышение уровня моря из-за изменения климата может привести к увеличению количества сульфатов в прибрежных водно-болотных угодьях и водоносных горизонтах, что способно повлиять на роль микробов в углеродном цикле. Результаты опубликованы в журнале mBio.

Взаимодействие организмов может приводить к появлению новых свойств, отсутствующих у отдельных видов. Эти эмерджентные свойства сложно предсказать.

Синтетические микробные сообщества — это упрощенные версии природных сообществ с меньшим числом видов. Они позволяют изучить роль отдельных организмов в метаболизме сообщества и проверить прогнозы о метаболическом обмене и взаимодействиях (как положительных, так и отрицательных) в природных системах.

Такой подход также позволяет количественно оценить взаимодействия микробов. Эти данные используются для построения более точных моделей природных процессов и могут помочь оптимизировать использование микробов для производства биопродуктов.

Хотя синтетические сообщества — мощный инструмент, большинство предыдущих исследований фокусировались на бинарных взаимодействиях всего двух видов.

Данная работа изучила сложные взаимодействия четырех микроорганизмов с перекрестным питанием в SynCom, преобразующем целлюлозу в CH₄ и CO₂. Это сообщество использовали как модель для изучения биохимических и физиологических реакций микробов в эстуарных водно-болотных угодьях при угрозе вторжения морской воды.

Включение в сообщество сульфатредуцирующей бактерии позволило исследовать влияние поступления сульфатов на динамику сообщества.

Ответ каждого микроорганизма в сообществе охарактеризовали с помощью протеомного анализа, чтобы изучить их экологические и метаболические реакции и смоделировать межвидовые взаимодействия, управляющие обменом углерода.

Стехиометрическое моделирование показало, что добавление сульфата изменяет потоки углерода и электронов, а также метаболические взаимодействия предсказанным образом. Однако оно также выявило положительные и отрицательные синергии как эмерджентные свойства взаимодействий множества видов.

Это исследование открывает путь к более точному прогнозированию влияния изменений окружающей среды на микробные взаимодействия, которые поддерживают геохимически значимые процессы в природных системах.