As comunidades microbianas geralmente contêm várias espécies que coexistem, embora compartilhem habilidades metabólicas semelhantes. Como eles fazem isso não está claro.
Por Ananya Sen, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign publicado por Phys.
Pesquisadores desenvolveram um modelo para mostrar que essas espécies de comunidades microbianas que geralmente contêm várias espécies que coexistem, e se têm preferências complementares para o que consomem, podem coexistir mais facilmente.
Muitos micróbios crescem diauxicamente – eles consomem os recursos alimentares disponíveis, um de cada vez, em vez de simultaneamente. Cada espécie tem uma ordem particular de preferências, variando da mais preferida até a menos preferida. É importante ressaltar que esta lista difere entre os diferentes micróbios. Curiosamente, açúcares como a glicose, que deveriam ser apreciados universalmente, não são os preferidos por alguns micróbios, permitindo-lhes escolher itens diferentes no mesmo menu.
“Embora o crescimento diauxico tenha sido descoberto na década de 1940, as pessoas não prestaram muita atenção a ele do ponto de vista da modelagem”, disse Sergei Maslov (BCXT / CABBI), professor de bioengenharia e bolsista da Bliss. “Temos esse incrível zoológico de ecossistemas microbianos que estão presentes em todos os lugares e as pessoas estão tentando entender o que permite a coexistência de diferentes espécies. Queríamos entender os princípios básicos de montagem de comunidades em crescimento diauxicamente.”
Os pesquisadores modelaram a montagem de uma comunidade microbiana em culturas de diluição em série, onde as bactérias podem crescer em um novo lote de nutrientes por um certo tempo antes de serem diluídas novamente. “Experimentos de diluição em série são os experimentos mais simples de realizar em laboratório e representam os cenários de explosão e queda na natureza. Por exemplo, no intestino você pode ter um novo lote de nutrientes, que é usado pelos micróbios até que eles funcionem sem comida. No final de cada ciclo de expansão, vem o ciclo de queda representado pela diluição “, disse Maslov.
“Cada espécie tem uma lista de preferências predeterminadas que está embutida em seu DNA. O que presumimos, e o que é apoiado por experimentos, é que a ordem de consumo de nutrientes é diferente para espécies diferentes. Algumas podem ter a glicose como a primeira escolha, enquanto outras usam , por exemplo, lactose. Estamos olhando para essa interação entre a diversidade de nutrientes e as preferências dos micróbios “, disse Maslov.
No modelo , os pesquisadores primeiro presumiram que uma única espécie pode crescer com quatro recursos alimentares. Ele primeiro cresce em seu recurso preferido até que se esgote e, em seguida, muda para o próximo. Depois que todos os recursos são esgotados, uma fração da bactéria é transferida para um novo lote de recursos, resultando em diluição em série. Após este ponto, uma segunda espécie escolhida aleatoriamente é introduzida e os pesquisadores modelaram a competição resultante e o esgotamento de recursos. Este processo continua até que nenhuma outra espécie do pool aleatório possa invadir a comunidade. Em muitas dessas simulações, o conjunto de micróbios na comunidade final tende a ter preferências de recursos complementares, ou seja, suas principais escolhas são todas diferentes.
Embora se possa supor que a principal escolha do micróbio é o que cresce mais rápido, o modelo não faz essa suposição. “Experimentos mostraram que não há uma relação clara entre o que você prefere e o quão rápido você cresce nele. No entanto, a comunidade reunida consiste quase que exclusivamente em micróbios que crescem mais rapidamente em seu nutriente de escolha”, disse Akshit Goyal, um pós-doutorado no MIT e um colaborador do laboratório Maslov.
Os pesquisadores usaram um grande pool de bactérias, que foi gerado aleatoriamente, para seu modelo. Consequentemente, eles procuravam padrões que não dependessem da identidade da bactéria. “Nós criamos uma teoria geométrica onde você pode pegar sua espécie e olhar suas listas de preferência e taxas de crescimento em diferentes nutrientes e prever o resultado do experimento. Mesmo sem executar as simulações, você pode prever se uma espécie sobreviverá em um determinado comunidade ou não “, disse Veronika Dubinkina, uma Ph.D. estudante no laboratório de Maslov.
Este trabalho não incorporou outros fatores de crescimento que podem afetar o crescimento microbiano. “Não consideramos a alimentação cruzada em nosso modelo, onde uma bactéria produz produtos que as outras podem usar. Presumimos que todas as espécies só podem usar os recursos que estão presentes no início”, disse Zihan Wang, Ph.D. estudante no laboratório de Maslov. Os pesquisadores planejam incluir a alimentação cruzada em seus estudos futuros para ver como isso molda a comunidade microbiana.
“Estamos interessados em aplicar este modelo a ecossistemas microbianos reais e iniciamos outro projeto para ver o que acontece em experimentos reais de diluição em série”, disse Maslov. “É muito fácil fazer um modelo grande e complicado. Nossa filosofia é adicionar uma propriedade por vez, como diauxic ou alimentação cruzada, e entender o que está acontecendo em cada etapa. Dessa forma, você gradualmente melhora no entendimento do complexo , sistemas do mundo real. “
O estudo “As preferências de recursos complementares surgem espontaneamente em comunidades microbianas diauxic ” foi publicado na Nature Communications .
Mais informações: Zihan Wang et al, As preferências de recursos complementares espontaneamente emergem em comunidades microbianas diauxic, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-27023-y
