Bakterier, de minsta levande organismerna i världen, bildar samhällen där enhetliga individer lever tillsammans, bidrar med en del av egendomen och delar gemensamma intressen.

Jorden runt en växts rötter innehåller miljontals organismer som interagerar konstant – för många upptagna spelare för att studera samtidigt, trots vikten av att förstå hur mikrober blandas.

I en studie publicerad i tidskriften mBio , forskare vid University of Wisconsin–Madison lärde sig att en drastiskt nedskalad modell av ett mikrobiellt samhälle gör det möjligt att observera några av de komplexa interaktionerna. Genom att göra det upptäckte de en nyckelspelare inom mikrobiell kommunikation:närvaron eller frånvaron av en antibiotisk förening som producerats av en av medlemmarna i samhället påverkade beteendet hos de andra två medlemmarna.

Lite förstås om hur enskilda mikrober interagerar med varandra i samhällen, men den kunskapen lovar otroligt.

Till exempel kan bakterien Bacillus cereus skydda växter genom att producera ett antibiotikum som avskräcker patogenen som orsakar "dämpning", en sjukdom som dödar plantor och är kostsam för jordbrukare. Men biokontrollmedel som B. cereus är inte alltid effektiva. Ibland blomstrar växter som behandlats med B. cereus, ibland inte – och forskare försöker förstå varför.

"Bakterier lever inte isolerade", säger Amanda Hurley, huvudförfattare till den nya studien; AAAS Science and Technology Policy Fellow; och tidigare postdoc i UW–Madison-professorn Jo Handelsmans labb, chef för Wisconsin Institute for Discovery.

"Om vi ​​kunde ta reda på hur interaktioner mellan arter förändras i närvaro av flera arter, kan vi börja förstå kommunikationstrender för hela mikrobiella samhällen. Genom att använda kemi eller genetik skulle vi kunna avbryta vissa konversationer och förstärka andra, vilket leder till mikrobiomer som interagerar med deras miljöer mer positivt och förutsägbart, oavsett om det är människor, grödor eller själva marken."

Att dechiffrera interaktionerna mellan mikroorganismer kan hjälpa till att skapa en miljö som är mer gynnsam för Bacillus cereus. Hurley och medförfattarna Marc Chevrette, tidigare postdoc i Handelsman-labbet och för närvarande biträdande professor vid University of Florida, och Natalia Rosario-Melendez, doktorand i Handelsman-labbet, gav sig i kast med att avkoda och översätta de kemiska samtalen. Gruppen skapade ett modellsystem bestående av tre arter – Flavobacterium johnsoniae och Pseudomonas koreensis isolerades med B. cereus från åkerodlade sojabönsrötter – som de kallade "The Hitchhikers of the Rhizosphere" eller THOR.

Bakterier kommunicerar ofta genom kemins språk. Att manipulera den kemin med gener och kemikalier kan förändra samtalet och få Bacillus cereus att känna sig välkommen på växtrötter.

Forskarna byggde profiler av THOR-organismerna med hjälp av deras mRNA, molekyler som produceras när en gen uttrycks. I varje kombination av THOR-bakterier letade forskarna efter skillnader i genuttryck. THOR-organismerna reagerade på varandra olika i varje kombination, och när alla tre arterna var tillsammans började nya saker hända som inte hände i något av paren eller enstaka tillstånd.

I THOR-gemenskapen dominerades genuttryck av interaktioner med en medlem, P. koreensis. Resultaten förmedlades av närvaron av antibiotikumet koreenceine - den metaforiska hammaren av THOR. Denna enda molekyl verkar påverka uttrycket och interaktionen av tusentals gener i nätverk. Att bestämma hur koreenceine reglerar samhällets gener kommer att vara en fruktbar väg för vidare utredning, enligt forskarna.

Studien bekräftar Handelsmans tidiga idé att samhällen är värda att undersöka, eftersom aktiviteten inom samhället inte bara är summan av medlemmarna utan speglar gemenskapsegenskaper.

"Traditionellt sett tittar människor bara på en enda organism. Det som gör vår studie annorlunda är att vi tittade på samhället", säger Chevrette. "Gemenskaper är olika. Det finns något i sig unikt för ett samhälle som gör det annorlunda än summan av dess delar. Att använda enkelheten hos modellmikrobiomer kan hjälpa oss med utmaningen att förstå mikrober i komplexa samhällen och hur de kan förändras till förbättra människors hälsa, miljön och jordbrukets hälsa." + Utforska vidare

THOR bråkar komplexa mikrobiomer till en modell för att förbättra dem