Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har visat ett mikrobiellt gemenskapsfenomen som i huvudsak är lika med att lära grannar hur man utför nödvändiga uppgifter genom att slita ut och dela delar av hjärnan.
Processen gör det möjligt för mikrobiomer att hålla sig själva och sina miljöer friska och kan hjälpa forskare att skapa robusta, skräddarsydda mikrobiella system för tillämpningar som sträcker sig från att rensa gifter från miljön till att producera biobränsle och andra konsumentprodukter.
Forskningen visas online den 1 september i tidskriften Nature Chemical Biology .
Stora, komplexa mikrobiella samhällen lever överallt i världen, från floder och berg till människor och hus. Men oavsett om man jämför mikrobiomer på snötäckta toppar i Asien eller i magen på enäggstvillingar, kan sammansättningen av arter inom dessa samhällen variera kraftigt.
Oavsett hur olika dessa mikrobiomer kan tyckas vara på ytan, om de lever i liknande miljöer, kommer de sannolikt att fylla samma funktioner. Ett sätt att utvärdera vilka processer de genomför är att fokusera på generna som kodar för funktionerna snarare än arterna själva.
"Om du räknar antalet kopior av gener som kodar för någon funktion, kan deras antal förbli stabila även om artsammansättningen i samhället förändras dramatiskt", säger Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik vid Duke. "En viktig väg till denna nivå av stabilitet är genom horisontell genöverföring."
Horisontell genöverföring är den process genom vilken bakterier ständigt delar genetiska recept för nya förmågor genom att byta paket med genetiskt material som kallas plasmider. På en begreppsmässig nivå är det inte helt olikt att skapa en kopia av en samling nervceller som vet hur man gör lasagne, slita den ur huvudet och ge den till en vän att använda.
I det nya dokumentet visar du och hans kollegor att denna genöverföring spelar en viktig roll för att hålla mikrobiomer friska och säkerställa att viktiga uppgifter slutförs. Från och med två olika bakteriearter kontrollerade forskarna nivåerna av horisontell genöverföring och visade att högre hastigheter ledde till mer stabila koncentrationer av dessa gener.
Teamet konstruerade sedan en gemenskap av upp till 72 bakterier som bytte upp till 13 olika gener samtidigt och mätte genernas stabilitet. Precis som med den enklare modellen höll de gener som handlades oftare en jämnare nivå inom mikrobiomet som helhet.
"Dessa resultat har spekulerats om tidigare, men aldrig kvantifierats inom levande samhällen," sa du. "Den andra vägen till denna nivå av redundans är att ha flera arter som kan utföra samma funktion. Men en hög nivå av horisontell genöverföring är en mycket mer robust metod för att uppnå samma resultat."
Med andra ord kan en byggarbetare vara extremt motståndskraftig mot att elektriker slutar om rörmokarna på plats också visste hur man kopplar en byggnad. Men samma besättning skulle vara ännu mer motståndskraftig om de återstående elektrikerna helt enkelt kunde överföra sin expertis till vem som helst på jobbet när det behövs, oavsett yrke.
I framtiden hoppas du kunna studera naturliga mikrobiella samhällen för att definitivt bevisa att detta fenomen är viktigt för en mikrobioms hälsa utanför ett laboratorium. Han planerar också att implementera denna dynamiska arbetsfördelning genom horisontell genöverföring i konstruerade mikrobiella system.
"Det finns fall där komplexa metaboliska vägar är svåra att konstruera i en enda bakterieart där det är lättare att ha olika populationer som utför olika steg i processen," sa du. "Denna studie föreslår att vi kan implementera den strategin genom genöverföring så att vi inte behöver oroa oss för den specifika sammansättningen av arter. Vi kan bara låta samhället hitta den bästa balansen för sig själv samtidigt som vi vet att det kommer att fortsätta att få jobbet Gjort." + Utforska vidare
