Оказалось, что бактерии-коммунисты ненавидят нахлебников и сами избавляются от тех, кто не трудится на благо колонии
Бактерии часто работают вместе как колония, чтобы выжить: одни производят ресурсы, которые используются другими, и так по кругу. Например, они часто выделяют ферменты, которые расщепляют источники пищи на питательные вещества, что приносит пользу соседним бактериям.
Однако иногда микробы могут быть эгоистами, которые потребляют ресурсы, не внося ничего в общее дело.
«Трудиться на благо общества — весьма непростая работа, поэтому эгоистичному человеку лучше просто брать то, что ему предлагают, ничего не отдавая взамен. Но это очевидным способом вредит обществу, а потому оно ищет способ воспрепятствовать подобному поведению», — заявил Алекс Моффет, биолог из Йоркского университета в Торонто и ведущий автор исследования, сравнивая сообщество бактерий и людей.
Чтобы определить уровень биохимических продуктов (также известных как «общественные блага») в зависимости от плотности населения, колонии бактерий используют систему, называемую определением кворума. Чувство кворума работает, регулируя экспрессию кооперативных генов в популяции бактерий с помощью небольших молекул, называемых аутоиндукторами.
Чем больше бактерий, тем больше накапливается аутоиндукторов. Если концентрация аутоиндукторов превышает критический уровень, это вызывает изменения в бактериях, которые как группа переросли имеющиеся ресурсы. С помощью математической модели исследователи обнаружили, что определение кворума наказывает нахлебников за счет уменьшения доступности общих ресурсов.
Но в некоторых случаях наказание мошенников вредит выживанию всей колонии, поскольку производителям также не хватает ресурсов.
«В отсутствие альтернативных питательных веществ, ощущение кворума производителями удерживает единственный источник питательных веществ от всей популяции, что наносит вред как производителям, так и мошенникам с точки зрения среднего времени вымирания общей популяции», — пишут исследователи.
«Мы не ожидали увидеть такое поведение, которое можно даже назвать "злобным", — объясняет Эндрю Экфорд, вычислительный биолог из Йоркского университета. "Но это указывает на то, что определение кворума является удивительно гибким инструментом для обеспечения справедливости".
Исследователи описывают такое поведение как «возможный пример демографически стохастического эволюционного самоубийства».
Хотя математические модели полны допущений и условностей, они являются полезными инструментами, которые помогают ученым понять сложные динамические системы. В этом случае понимание жестоких компромиссов, на которые идут бактериальные колонии, чтобы выжить, может, при дальнейших исследованиях, пролить свет на то, как бактериальные инфекции закрепляются и вызывают заболевания.
Например, люди с кистозным фиброзом часто заражаются легочными инфекциями, частым виновником которых является Pseudomonas aeruginosa — устойчивый к лекарствам «супербактерий».
В легких P. aeruginosa образует небольшие плотные биопленки из примерно 1000 бактериальных клеток, которые действуют как прочный защитный слой, что затрудняет уничтожение бактерий и устранение инфекции с помощью антибиотиков.
По словам Моффетта, математическое моделирование ощущения кворума может помочь исследователям понять, как бактерии могут так эффективно колонизировать легкие, что может указать путь к новым методам лечения.
Ученые пришли к такому выводу, смоделировав то, как колония реагирует на «бактерии-халявщики», которые потребляют больше, чем им положено.