معلومة

6. 11: النمو الجرثومي في المجتمعات - علم الأحياء


6. 11: النمو الجرثومي في المجتمعات

نحو فهم كمي لبنية المجتمع الميكروبي وعمله: نهج يركز على النمذجة باستخدام تدهور انسكابات النفط البحرية كمثال

تعمل مناهج البيئة الجزيئية على تطوير رؤيتنا حول الكائنات الحية الدقيقة المتضمنة في تدهور انسكابات النفط البحرية وإمكاناتها الأيضية. ومع ذلك ، لا تزال العديد من الأسئلة مفتوحة: كيف تتجمع المجتمعات الميكروبية المهينة للنفط من حيث التنوع الوظيفي ووفرة الأنواع وتنظيمها وما هي الدوافع؟ كيف تتناسب الخصائص الوظيفية للكائنات الدقيقة مع العمليات على مستوى النظام البيئي؟ كيف تتدفق الكتلة بين الأنواع ، وما هي العوامل والأنواع التي تتحكم وتنظم التدفقات والاستقرار ووظائف النظام البيئي الأخرى؟ هل يمكن اشتقاق القواعد العامة بشأن تدهور النفط ، وما هي الدوافع التي تكمن وراء هذه القواعد؟ كيف يمكننا هندسة المجتمعات الميكروبية المهينة للنفط مثل الهيدروكربونات العطرية السامة متعددة الحلقات التي تتحلل بشكل أسرع؟ تنطبق هذه الأنواع من الأسئلة على مجال البيئة الميكروبية بشكل عام. نلخص كيف يمكن توسيع التطورات الحديثة في بيولوجيا أنظمة النوع الواحد للمساعدة في الإجابة على هذه الأسئلة. نجادل بأن النمذجة الميكانيكية من أسفل إلى أعلى تسمح بفك رموز الأدوار والتفاعلات الخاصة بين الكائنات الحية الدقيقة. على وجه الخصوص ، يبدو أن تحليل توازن التدفق على نطاق المجتمع المشتق من الميتاجينوم مناسب لهذا الهدف لأنه يسمح بحساب التدفقات المرتبطة بالتدهور على أساس القيود الفسيولوجية واستراتيجيات النمو ، دون الحاجة إلى معلومات حركية مفصلة. نناقش لاحقًا ما هو مطلوب لإنجاح هذه الأساليب ، وتحديد الحاجة إلى فهم أفضل لعلم وظائف الأعضاء الميكروبي من أجل النهوض بالبيئة الميكروبية. نحن ندعو إلى تطوير قواعد بيانات تحتوي على بيانات فسيولوجية ميكروبية. الإجابة على الأسئلة المطروحة بعيدة كل البعد عن التافهة. ومع ذلك ، تعد المجتمعات التي تتحلل بالنفط بيئة جذابة لبدء اختبار النماذج والفرضيات المشتقة من النظم البيولوجية لأنها بسيطة نسبيًا في التنوع والأنشطة الرئيسية ، مع عزل العديد من اللاعبين الرئيسيين وتوافر كبير للبيانات والنهج التجريبية.

الكلمات الدالة: تحليل توازن التدفق النمذجة من أسفل إلى أعلى ، انسكابات النفط البحرية ، علم الأحياء ، نظم المجتمعات الميكروبية ، علم الأحياء.


تكيف المجتمعات الميكروبية في التربة مع درجة الحرارة: مقارنة الفطريات والبكتيريا في تجربة معملية

لا تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على النشاط الميكروبي فحسب ، بل يمكن أن تؤثر أيضًا على النشاط بشكل غير مباشر عن طريق تغيير اعتماد المجتمع على درجة الحرارة. سيؤدي ذلك إلى أداء المجتمعات بشكل أفضل بمرور الوقت استجابةً لارتفاع درجات الحرارة. لقد درسنا لأول مرة تأثير درجة حرارة التربة (5-50 درجة مئوية) على التكيف المجتمعي لكل من البكتيريا (دمج ليسين) ونمو الفطريات (دمج الأسيتات في إرغوستيرول). تم تقدير النمو في درجات حرارة مختلفة بعد حوالي شهر باستخدام مقايسة قصيرة الأجل لتجنب الخلط بين تأثيرات درجة الحرارة على توافر الركيزة. قبل بدء التجربة ، كان نمو الفطريات والبكتيريا مثاليا عند حوالي 30 درجة مئوية. أدت زيادة درجة حرارة التربة فوق هذا إلى زيادة في الحد الأمثل لنمو البكتيريا ، المرتبط بدرجة حرارة التربة ، مع حدوث تحولات متوازية في منحنى الاستجابة الكلية. أقل من المستوى الأمثل ، كان لدرجة حرارة التربة تأثيرات طفيفة فقط ، على الرغم من اختيار درجات حرارة منخفضة للمجتمعات التي تنمو بشكل أفضل عند أدنى درجة حرارة. تأثرت الفطريات بنفس الطريقة التي تأثرت بها البكتيريا ، مع تغيرات كبيرة في تحمل درجة الحرارة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة التربة المثلى للنمو. أعطت تقنية مبسطة ، لمقارنة النمو عند درجتي حرارة متناقضتين فقط ، نتائج مماثلة لاستخدام منحنى درجة حرارة كاملة ، مما يسمح بقياسات واسعة النطاق أيضًا في المواقف الميدانية مع وجود اختلافات صغيرة في درجة الحرارة.


نتائج

قمعت المجتمعات الميكروبية المقيمة نمو البؤرة ه. القولونية أضنى

زرعنا بؤرتنا ه. القولونية سلالة في عوالم مصغرة لاهوائية في وجود وغياب مضاد حيوي وثلاث عينات مختلفة من الميكروبيوم المعدي المعوي ، كل منها من متبرع بشري مختلف ، لمدة 7 د (S1 الشكل). في المتوسط ​​، قلل العلاج بالمضادات الحيوية (الأمبيسلين) من وفرة الإجهاد البؤري (تأثير المضاد الحيوي في نموذج مختلط خطي معمم مع تضخم صفري ، glmmadmb ، χ 2 = 33.53 ، df = 1 ، ص & lt 0.001 الشكل 1). على سبيل المثال ، بعد 24 ساعة ، تم تقليل وفرة الإجهاد البؤري مقارنة بالمعالجات الخالية من الأمبيسلين بنسبة 69٪ (SD = 6.02) في المعالجة بالوسط القاعدية ، 78٪ -90٪ (اعتمادًا على المتبرع البشري) في معاملات الملاط المعقمة ، و 84٪ -99.9٪ (اعتمادًا على المتبرع البشري) في علاجات الملاط "الحية" (الشكل 1 ، جدول S1). كما أدى إدراج المجتمع الميكروبي المقيم من عينات البراز البشرية إلى تقليل وفرة الإجهاد البؤري في المتوسط ​​، وهو ما استنتجناه من خلال مقارنة العلاجات المجتمعية (الملاط البرازي "الحي" ، بما في ذلك المجتمع الميكروبي المقيم) مع العلاجات الخالية من المجتمع (النسخ المعقمة من البراز). نفس تأثير الطين البرازي للمجتمع في glmmadmb ، χ 2 = 6.65 ، df = 1 ، ص = 0.01 الشكل 1).

تظهر كل لوحة وفرة من البؤري ه. القولونية سلالة (في cfu لكل مل) أكثر من 7 d إما للوسط الأساسي (الصف العلوي) أو مع ملاط ​​برازي من واحد من ثلاثة متبرعين بشريين ، في غياب (الألواح اليسرى) أو وجود (الألواح اليمنى) للأمبيسيلين ، والذي تم تطبيقه في النقاط الزمنية لأخذ العينات بعد ساعتين وبعد ذلك في كل عملية نقل يومية. تُظهر الرموز الفارغة المعالجات الخالية من المجتمع الرموز المملوءة تُظهر المعالجات مع المجتمع الميكروبي المقيم تظهر الرموز الحمراء عوالم مصغرة اكتشفنا فيها مستعمرة مقاومة للأمبيسيلين من السلالة البؤرية. تظهر الأسطر الثلاثة ، كل منها برموز مختلفة ، في كل علاج ثلاثة عوالم مصغرة مكررة. تظهر العوالم المصغرة التي لم نكتشف فيها أي مستعمرات سلالة بؤرية عند 10 0. يتم إيداع البيانات في مستودع درياد: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40]. cfu ، وحدات تشكيل المستعمرات.

اعتمد التأثير القمعي للمجتمعات الميكروبية المقيمة على كل من عينة المتبرع البشري التي تم استخدامها لإعداد العوالم المصغرة (تفاعل المانحين × المجتمع في glmmadmb ، χ 2 = 10.23 ، df = 2 ، ص = 0.006) ووجود الأمبيسلين (مضاد حيوي × تفاعل مجتمعي في glmmadmb ، χ 2 = 5.2 ، df = 1 ، ص = 0.02) ، وهو الأقوى بالنسبة للسكان المعرضين لكل من الجراثيم المقيمة والمضادات الحيوية (الشكل 1). أدى هذا إلى انقراض السلالة البؤرية (أقل من حد الكشف لدينا) في المجموعات المعرضة للأمبيسيلين والمجتمعات الميكروبية المقيمة من المتبرعين البشريين 1 و 3. أي ، في هذه العلاجات ، فشلت السلالة البؤرية في استعمار المجتمع. بالنسبة للمجتمع المقيم من المتبرع البشري 2 ، تم دفع الإجهاد البؤري إلى وفرة منخفضة جدًا في وجود المجتمع والأمبيسلين معًا ولكنها لم تختف تمامًا (الشكل 1). في غياب الأمبيسلين ، لا تزال المجتمعات المقيمة تقمع الضغط البؤري في المتوسط ​​(تأثير المجتمع في glmmadmb للعلاجات الخالية من الأمبيسلين فقط ، χ 2 = 10.04 ، df = 1 ، ص = 0.002). كما هو الحال في وجود الأمبيسلين ، تباينت قوة هذا التأثير اعتمادًا على المتبرع البشري ، حيث تكون أقوى بالنسبة للمجتمع الميكروبي المقيم من المتبرع البشري 1 (تأثير المجتمع لهذا المتبرع في غياب الأمبيسلين: glmmadmb ، χ 2 = 11.28 ، df = 1 ، ص = 0.0002 الشكل 1 وجدول S1) ، مما أدى إلى استبعاد السلالة البؤرية. قام المجتمع المقيم من مانح بشري 3 بقمع متوسط ​​نمو السلالة البؤرية بحوالي 54 ٪ عبر التجربة بأكملها (تأثير المجتمع للمتبرع البشري 3 في غياب الأمبيسلين: glmmadmb ، χ 2 = 4.77 ، df = 1 ، ص = 0.03 الشكل 1 وجدول S1). بالنسبة للمجتمع المقيم من المتبرع البشري 2 ، كان متوسط ​​وفرة الإجهاد البؤري أقل في وجود المجتمع (متوسط ​​التخفيض بنسبة 24 ٪ مقارنةً بالعالم الصغيرة الخالية من المجتمع ، الشكل 1 وجدول S1) ، على الرغم من أن هذا لم يكن ذا دلالة إحصائية (تأثير مجتمع المتبرع البشري 2 في حالة عدم وجود الأمبيسلين: glmmadmb ، χ 2 = 0.66 ، df = 1 ، ص = 0.41). لم نعثر على أي دليل على أن العوامل اللاأحيائية في ملاط ​​البراز المعقم كانت مثبطة للسلالة البؤرية: لم يكن هناك اختلاف كبير في متوسط ​​وفرة الإجهاد البؤري بين العلاجات الخالية من المجتمع ومعالجة التحكم التي تحتوي فقط على وسط النمو الأساسي الذي تم استخدامه في تحضير عجائن البراز (نموذج التأثيرات المختلطة الخطية ، اللمعان: χ 2 = 0.41 ، df = 3 ، ص = 0.94). باختصار ، قامت المجتمعات الميكروبية المقيمة بأخذ عينات من ثلاثة متبرعين بشريين لكل منها قمع نمو البؤرة ه. القولونية سلالة في المخمرات اللاهوائية مليئة بملاط البراز ولكن بدرجات متفاوتة وقد تم تضخيم هذا التأثير بإضافة الأمبيسلين.

الوفرة البكتيرية الكلية المستقرة ولكن تكوين المجتمع المتغير بمرور الوقت

استخدمنا قياس التدفق الخلوي لتقدير الوفرة البكتيرية الإجمالية في العوالم المصغرة التي تحتوي على مجتمعات ميكروبية مقيمة. في العوالم المصغرة الخالية من المضادات الحيوية ، كانت الوفرة البكتيرية الكلية مستقرة تقريبًا بمرور الوقت (& GT10 9 خلايا / مل الشكل 2) وكانت أعلى في المتوسط ​​منها في العوالم المصغرة المعرضة للأمبيسيلين (تأثير المضاد الحيوي في نموذج التأثيرات المختلطة الخطية ، lmm: χ 2 = 10.37 ، مدافع = 1 ، ص = 0.001). ومع ذلك ، فإن التأثير القمعي للمضاد الحيوي اختلف بمرور الوقت (تفاعل المضاد الحيوي × الوقت في lmm: χ 2 = 101.81 ، df = 7 ، ص & lt 0.001) ، وهو الأقوى في بداية التجربة. تباين تأثير المضاد الحيوي أيضًا عبر المجتمعات من متبرعين بشريين مختلفين (تفاعل مضاد حيوي × متبرع في lmm: χ 2 = 79.30 ، df = 2 ، ص & lt 0.001) ، حيث أظهر المتبرعون البشريون 1 و 2 انتعاشًا أقوى بعد التطبيق الأول للأمبيسيلين (مما أدى إلى انخفاض في الوفرة بعد 24 ساعة) من المجتمع من المتبرعين البشريين 3. تظهر هذه النتائج أن إعدادنا التجريبي استمر بدرجة عالية عدد الكائنات الحية الدقيقة في المجتمع العلاجات مع مرور الوقت في كل من وجود وغياب الأمبيسلين.

يُظهر كل صف من اللوحات بيانات من أحد المتبرعين البشريين الثلاثة ، وتُظهر اللوحات اليمنى / اليسرى المعالجات مع / بدون الأمبيسلين. يتم عرض المجتمعات المكررة الثلاثة في كل لوحة بثلاثة أسطر مختلفة ، لكل منها رمز مختلف. تم قياس الوفرة البكتيرية الكلية عن طريق قياس التدفق الخلوي (انظر المواد والطرق). يتم إيداع البيانات في مستودع درياد: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40].

للتحقيق في تكوين المجتمع في هذه العوالم المصغرة ، استخدمنا تسلسل أمبليكون للمناطق المتغيرة 3 و 4 من جين 16S rRNA. كشف هذا عن مستويات مماثلة من التنوع داخل العينة (تنوع ألفا في شانون ، الشكل 3 أ) في عينات الميكروبيوم من المتبرعين البشريين الثلاثة في بداية التجربة. ثم انخفض التنوع داخل العينة قليلاً خلال الـ 24 ساعة الأولى من التجربة وبشكل ملحوظ بين 24 ساعة و 168 ساعة (تأثير الوقت في نموذج التأثيرات المختلطة الخطية بما في ذلك البيانات من 24 ساعة و 168 ساعة ، lme: F 1, 14 = 481.43, ص & lt 0.001). ينطبق هذا على المتبرعين البشريين الثلاثة (تأثير المتبرع البشري ، lme: F 2, 15 = 2.07, ص = 0.16) ، والذي أظهر أيضًا تحولات مماثلة في التركيب التصنيفي بمرور الوقت (الشكل 3 ب). سيطرت عائلات Lachnospiraceae و Ruminococcaceae على المجتمعات عند 0 ساعة ، بالإضافة إلى Prevotellaceae للمتبرع البشري 3. بمرور الوقت ، أصبحت هذه المجموعات أقل وفرة بالنسبة إلى Enterobacteriaceae و Bacteroidaceae. أشار تحليل القراءات المخصصة لبكتيريا Enterobacteriaceae ه. القولونية كان دائمًا العضو الأكثر وفرة في هذه المجموعة (انظر المواد والطرق) ، حيث يمثل حوالي 99 ٪ من قراءات 16S rRNA amplicon المخصصة لبكتيريا Enterobacteriaceae في جميع العينات (جدول S2) ، مع ما يقرب من 1 ٪ المتبقية تشمل الأنواع الأخرى (على سبيل المثال ، المعوية ص. ، Citrobacter ص. و كليبسيلا ص). بالمقارنة مع التغيرات بمرور الوقت ، كان للأمبيسيلين تأثير ضعيف على التنوع داخل العينة (تأثير المضادات الحيوية: F1,14 = 11.37, ص = 0.006). تم دعم هذا التفسير من خلال تحليل بديل (تحليل الإحداثيات الرئيسي [PCoA] S2 Fig) بناءً على الاختلافات بين Bray-Curtis. وهكذا ، على الرغم من الوفرة الإجمالية المستقرة تقريبًا ، رأينا تغيرات في تكوين المجتمع بمرور الوقت كانت أكثر وضوحًا من الاختلافات بين المجتمعات من متبرعين بشريين مختلفين أو علاجات بالمضادات الحيوية. على الرغم من هذه التغييرات في الوفرة النسبية للأنواع المختلفة ، كانت هويات العائلات 5-6 الأعلى مستقرة بمرور الوقت وعبر المتبرعين البشريين (الشكل 3 ب).

(أ) يتم تقدير التنوع هنا باستخدام مؤشر تنوع شانون للعينات من ثلاث نقاط زمنية (0 ساعة ، 24 ساعة ، و 168 ساعة ، كما هو موضح في الأعلى) وثلاثة متبرعين بشريين (انظر وسيلة الإيضاح) ، في وجود وغياب الأمبيسلين (' أمبير ، المحور السيني). يعرض كل مربع بيانات من ثلاثة نماذج مصغرة مكررة لكل مجموعة معالجة ونقطة زمنية (باستثناء الساعة 0 ، والتي تُظهر العينة الأولية الفردية من كل متبرع بشري). (ب) الوفرة النسبية لأكثر 15 عائلة بكتيرية انتشارًا في كل صورة مصغرة في ثلاث نقاط زمنية (0 ساعة ، 24 ساعة ، و 168 ساعة ، موضحة في الأعلى) لكل متبرع بشري (صفوف من الألواح ، مُسمى على اليمين) في الوجود وغياب الأمبيسلين (ثلاثة مكررات لكل محور س للعلاج). يشير الحرف المرتفع "أ" في الأسطورة إلى العائلات اللاهوائية بشكل إلزامي. يتم إيداع البيانات في أرشيف النيوكليوتيدات الأوروبي تحت رقم الانضمام للدراسة PRJEB33429.

استخدمنا PCR الكمي (qPCR) لفهم مساهمة المقيمين بشكل أفضل ه. القولونية والإجهاد البؤري إلى الوفرة الإجمالية لـ ه. القولونية (انظر طرق S1). تمشيا مع بيانات تسلسل amplicon ، أظهر هذا زيادة في الوفرة الإجمالية لـ ه. القولونية متواليات مع مرور الوقت في كل من وجود وغياب الأمبيسيلين (S3 الشكل). عدد نسخ تسلسل الإجهاد البؤري بالنسبة إلى الإجمالي ه. القولونية أشار إلى أن السلالة البؤرية كانت نادرة بالنسبة للآخرين ه. القولونية بعد 24 ساعة (S3 Fig و S2 Table). في نهاية التجربة ، بما يتوافق مع تقديراتنا من الطلاء الانتقائي ومستعمرة تفاعل البوليميراز المتسلسل ، كانت السلالة البؤرية أقل من حد الكشف في العلاجات التي تحتوي على المجتمع من المتبرع البشري 1 ، سواء مع الأمبيسلين أو بدونه ، ومجتمع المتبرع البشري 3 مع الأمبيسلين في العلاجات الأخرى ، كانت متواليات الإجهاد البؤري نادرة مقارنة بالمجموع ه. القولونية (جدول S2).

تطورت مقاومة المضادات الحيوية فقط في غياب المجتمعات الميكروبية المقيمة

قمنا بفحص ظهور متغيرات مقاومة للمضادات الحيوية من السلالة البؤرية (التي اكتسبت مقاومة للأمبيسيلين) بعد كل دورة نمو عن طريق طلاء كل مجموعة على لوحات انتقائية للمضادات الحيوية (8 ميكروغرام / مل أمبيسيلين تقارب الحد الأدنى من التركيز المثبط [MIC] من السلالة البؤرية). لم نلاحظ أبدًا المتغيرات المقاومة للسلالة البؤرية في أي من العلاجات المجتمعية (السكان المعرضون للمجتمعات الميكروبية المقيمة من عينات الميكروبيوم البشري). على النقيض من ذلك ، في المعالجات الخالية من المجتمع (وسط النمو القاعدي وملاط البراز البشري المعقم) ، ظهرت متغيرات مقاومة في نهاية التجربة عند 120 ساعة (ملاط من متبرع بشري 1) و 144 ساعة (وسط نمو أساسي وطين من متبرع بشري 3) ، وإن لم يكن في عينات معقمة من متبرع بشري 2 (الشكل 1). وهكذا ، قام المجتمع الميكروبي المقيم من عينات الميكروبيوم البشري بقمع تطور مقاومة المضادات الحيوية في سلالتنا البؤرية.

لاستكشاف الآليات الجينية المرتبطة بتطور المقاومة والتكيف العام مع ظروفنا التجريبية ، أجرينا تسلسل الجينوم الكامل لمجموعتين من عزلات الإجهاد البؤري من النقطة الزمنية النهائية: ثمانية مستعمرات مقاومة للأمبيسيلين معزولة من لوحات الأمبيسلين (واحدة من كل من المجموعات الثمانية التي لاحظنا فيها ظهور مقاومة للمضادات الحيوية أثناء التجربة) و 33 عزلة مستعمرة تم اختيارها عشوائيًا من لوحات خالية من الأمبيسلين (كل منها من مجموعة سكانية مختلفة وعبر جميع العلاجات). في العزلات المقاومة للمضادات الحيوية ، كانت جميع SNPs والحذف الذي وجدنا (الجدول 1) في الجينات المتعلقة بالأغشية (ompR, fts, opgB) ، استجابات الإجهاد (ريلا) ، أو النسخ (rpoC, rpoD). تم تحور جينين بشكل مستقل في عزلات مستعمرات متعددة: rpoC و rpoD. اكتشفنا أيضًا حركة تسلسل الإدراج (IS) بين لكل ر و INN في مستعمرتين معزولين. من الجينات التي اكتشفنا فيها طفرات في عزل مستعمرة واحدة ، fts [41], ريلا [42] و ompR [43] تم شرح كل منها مسبقًا على أنها متورطة في مقاومة المضادات الحيوية بيتا لاكتام. ompR تم تحور أيضًا في ثلاث عزلات مستعمرة تم اختيارها عشوائيًا ، وجميعها من المجموعات السكانية التي تعرضت للأمبيسيلين أثناء التجربة (جدول S3). وجدنا ستة جينات أخرى تحورت بالتوازي بين اثنين وخمس عزلات مستعمرة تم اختيارها عشوائيًا (جدول S3). تم تحور خمسة من هؤلاء في عزلات من العلاجات الخالية من المضادات الحيوية والمضادات الحيوية. وشمل ذلك INN و gtrS، كلاهما تحور في خمس عزلات. عبر مجموعتي عزلات المستعمرات (المختارة عشوائيًا والمقاومة للمضادات الحيوية) ، تم تحوير ثلاثة مواضع أخرى في كلتا المجموعتين. هذه كانت rpoD (فقط في العزلات التي تعرضت للمضادات الحيوية) ، opgB، و ياو (سواء في العزلات من العلاجات الخالية من المضادات الحيوية والمضادات الحيوية). باختصار ، وجدنا بعض التغييرات الجينية الموازية الخاصة بمعالجات المضادات الحيوية والمتسقة مع آليات المقاومة المعروفة ، بالإضافة إلى التغييرات الجينية الأخرى التي حدثت عبر العلاجات الخالية من المضادات الحيوية والمضادات الحيوية ، وبالتالي فهي أكثر احتمالًا للمشاركة في التكيف العام.

يتم إيداع البيانات في أرشيف النيوكليوتيدات الأوروبي تحت رقم الانضمام للدراسة PRJEB36309.

تم تقييد اكتساب البلازميد بسبب نقص النقل ، وليس نقص فوائد اللياقة البدنية

سعينا بعد ذلك لتوضيح سبب عدم ملاحظة تطور مقاومة المضادات الحيوية للسلالة البؤرية في وجود مجتمعات ميكروبية مقيمة ، والتي توقعنا أن تحتوي على جينات مقاومة مفيدة [26،27،44-46]. افترضنا أن هذا قد يكون بسبب نقص جينات المقاومة القابلة للنقل أفقيًا في المجتمعات الميكروبية المقيمة. ومع ذلك ، اكتشفنا مقاومة الأمبيسلين ه. القولونية في المجتمعات الميكروبية المقيمة من المتبرعين البشريين 1 و 3 (عن طريق الطلاء الانتقائي) ، وبعد تسلسل الجينوم الخاص بهم ، حددنا العديد من الجينات المقاومة للمضادات الحيوية التي ارتبطت بجينات البلازميد (الشكل 4 وجدول S4). في التجميع الهجين (باستخدام قراءة MinION و Illumina) لعزل تمثيلي عن متبرع بشري 1 ، حددنا اثنين من البلازميدات. يحتوي البلازميد الأكبر على أربعة جينات مقاومة معروفة (الشكل 4 أ) ، بما في ذلك واحد يمنح مقاومة للمضادات الحيوية بيتا لاكتام. حددنا أيضًا ثلاثة نسخ متماثلة من IncF على هذا البلازميد ومجموعة كاملة من ترا الجينات التي تشارك في نقل البلازميد الاقتراني. حمل البلازميد الثاني ريليكون معروفًا (ColRNAI) وجينات التعبئة (ام بي ايه و ام بي سي) ، بالإضافة إلى أوبرون كوليسين E1 كامل (cnl, إم, سي). لعزل تمثيلي عن متبرع بشري 3 ، وجدنا جينات بلازميد ومقاومة مدمجة في الكروموسوم (الشكل 4 ب). هذا البلازميد المتكامل المفترض المأخوذ من متبرع بشري 3 يحمل أيضًا جينات مقاومة متعددة ، بما في ذلك بيتا لاكتاماز وريكلون IncQ ، وهو جزء من ريبا الجين [47] ، لكننا اكتشفنا لا ترا الجينات. احتوت مجموعات الجينوم الخمسة الأخرى (تقرأ Illumina عن عزلات أخرى من نفس المتبرع البشري) على نفس جينات المقاومة والنسخ المتماثلة عبر عدة contigs أصغر (جدول S4). كشف تعيين قراءات التسلسل المقابلة لجميع العزلات المتسلسلة من Illumina إلى بيانات القراءة الطويلة التي تم العثور عليها في العزلات المتسلسلة على منصة MinION عن خرائط متطابقة في جميع الحالات العشر ، بما يتوافق مع هذه الجينومات التي لها نفس البنية عبر كل من العزلات ( جدول S4).

الخرائط التخطيطية للبلازميدات والكروموسومات للمقيم التمثيلي ه. القولونية يعزل من (أ) متبرع بشري 1 و (ب) متبرع بشري 3. يتم شرح التسلسلات بتسلسل بلازميد بلازميد معروف (IncFIA ، IncFIB ، IncFIC على البلازميد 1 و ColRNAI على البلازميد 2 في [A] IncQ على الكروموسوم في [B]) ، الجينات المشاركة في النقل الأفقي (ترا و trb) ، جينات المقاومة المعروفة (بلوختيم, سول 2, ايه اف ايه (3), ايه اف ايه (6), يمول) ، الجينات المشاركة في أنظمة إفراز النوع السادس (tss, vgrG) ، والجينات المشاركة في إنتاج الكولسين والمناعة (سي, cnl, إم) والتعبئة (ام بي ايه و ام بي سي). لم يتم إغلاق جينوم العزلة من المتبرع البشري 3 (ب) ، كما هو موضح مع وجود فجوة. تشير الألوان إلى مناطق الترميز (السوداء) وغير المشفرة (الخضراء) ، لاحظ أن المقياس يختلف بين الكروموسومات والبلازميدات.

افترضنا أن الافتقار إلى تطور المقاومة المدفوعة بالبلازميد في إجهادنا البؤري قد يكون ناتجًا عن قيود على النقل الاقتراني الذي جعل هذه البلازميدات غير قابلة للوصول. باستخدام مقايسة التزاوج المقترن على أجار ، لم نعثر على المتحولين من سلالة بؤرية لدينا عندما تم خلطها مع عزلة من متبرع بشري 3 (تم تحديدها أعلاه على أنها تحمل بلازميد متكامل مفترض). هذا يتفق مع عدم وجود ترا الجينات الموجودة على هذا البلازميد وتقترح أنه لا يمكن نقلها إلى إجهادنا البؤري عن طريق الاقتران في غياب محركات أخرى لنقل الجينات الأفقي (على سبيل المثال ، العاثيات أو البلازميدات الأخرى). يتوافق هذا أيضًا مع العمل السابق الذي يشير إلى أن بلازميدات IncQ قابلة للتعبئة بدلاً من الاقتران [48 ، 49] وأننا لم نكتشف أي نسخ بلازميد أخرى في نفس العزلات. ومع ذلك ، بالنسبة للبلازميد من المتبرع البشري 1 ، وجدنا المتحولين من سلالة بؤرية لدينا في نهاية مقايسة التزاوج ، والتي أكدناها بواسطة مستعمرة PCR (S4 الشكل). يشير هذا إلى أن هذا البلازميد كان مترافقًا ويمكن نقله إلى إجهادنا البؤري ، بما يتوافق مع وجود ترا الجينات الموجودة على هذا البلازميد (الشكل 4 أ).

بالنظر إلى أن مقاومة البلازميد من المتبرع البشري 1 كانت قابلة للتحويل إلى السلالة البؤرية ، فلماذا لم تنتشر في التجربة الرئيسية أعلاه؟ افترضنا أن هذا قد ينتج عن كون المقاومة التي يحملها البلازميد أقل فائدة من المقاومة المكتسبة عن طريق الطفرة الصبغية (كما لاحظنا في العلاجات الخالية من المجتمع في التجربة الرئيسية). نتوقع أن تؤدي الفائدة الصافية للمقاومة إلى زيادة النمو السكاني عند تركيز المضاد الحيوي المطبق أثناء التجربة (7.2 ميكروغرام / مل). وجدنا أن الحصول على البلازميد منح زيادة أكبر بكثير في النمو السكاني عبر جميع تركيزات المضادات الحيوية غير الصفرية مقارنة بتلك التي لوحظت في عزلات المستعمرات المتطورة التي اكتسبت مقاومة عبر طفرة صبغية خلال التجربة الرئيسية (الشكل 5 أ وجدول S5). علاوة على ذلك ، في تجارب المنافسة الزوجية ، كان للمتحول الذي يحمل هذا البلازميد ميزة تنافسية قوية بالنسبة للنوع البري في وجود المجتمع الميكروبي المقيم من المتبرع البشري 1 (S5A الشكل). تمت زيادة ميزة اللياقة هذه بإضافة الأمبيسلين بالتركيز الذي استخدمناه في التجربة الرئيسية وحتى أكثر من ذلك بإضافة الأمبيسيلين بثلاثة أضعاف IC90 (التركيز المطلوب لتقليل النمو بنسبة 90٪) من السلالة البؤرية السلفية (المجتمع × تفاعل الأمبيسيلين عن طريق التقليب. اختبار ص = 0.029 S5B الشكل). يوضح هذا أنه كان من المفيد للغاية للسلالة البؤرية الحصول على البلازميد في تجربتنا ، لا سيما في وجود الأمبيسلين.

(أ) قابلية المضادات الحيوية للسلالة البؤرية السلفية ، نسخة السلالة البؤرية المستخدمة لعزل المتحولين (انظر المواد والطرق) ، السلالة البؤرية مع البلازميد (المتحول) ، المقيم ه. القولونية تُستخدم العزلة كمانح للبلازميد ، وثمانية مستعمرات متطورة من الإجهاد البؤري تم عزلها على ألواح الأمبيسلين ("amp") والتي كانت بها طفرات صبغية (جدول S2). يتم عرض متوسط ​​قيم OD ± SE بعد نمو لمدة 24 ساعة عند كل تركيز من الأمبيسيلين. (ب) تردد Transconjugant (كنسبة مئوية من إجمالي عدد السكان المتلقين) بعد تجارب التزاوج في ظروف مختلفة. كانت السلالة المتلقية عبارة عن نسخة معلمة من السلالة البؤرية السلفية وكان المتبرع بالبلازميد مقيمًا ه. القولونية عزل من متبرع بشري 1. لمعالجة الملاط البرازي ، استخدمنا ملاطًا معقمًا للبراز من متبرع بشري 1. تم إيداع البيانات في مستودع درياد: https://doi.org/10.5061/dryad.t1g1jwszq [40]. LB ، ليسوجيني مرق OD ، مندوب الكثافة البصرية ، تكرار السكان.

على عكس المتحولين جنسيا الذين يحملون البلازميد من المقيمين ه. القولونية، كان لعزلتين مستعمرتين متطورتين من السلالة البؤرية التي تحمل طفرات مقاومة الكروموسومات ميزة لياقة مقارنة بالنوع البري فقط في حالة عدم وجود المجتمع في وجود المجتمع الميكروبي المقيم ، كان لديهم عيب في اللياقة البدنية (تأثير المجتمع عن طريق اختبار التقليب) : ف & لتر 0.001 للعزلات من المتبرعين البشريين 1 و 3 S5B الشكل). يشير هذا إلى أن التغييرات الجينية المرتبطة بزيادة المقاومة في هذه العزلات في غياب الميكروبات المقيمة لن تكون مفيدة في معالجات المجتمع + الأمبيسيلين للتجربة الرئيسية ، على عكس البلازميد الذي عزلناه عن المقيمين. ه. القولونية. تم دعم هذا الاستنتاج من خلال مقارنة المتحولين الذين يحملون البلازميد المقاومة وعزلات المستعمرة المتطورة من المتبرعين البشريين 1 و 3 (S6 الشكل). أظهرت تجارب المنافسة الإضافية الميزة التنافسية للمقيم ه. القولونية من المتبرعين البشريين 1 و 3 الذين يحملون جينات مقاومة كانت موجودة أيضًا في غياب الكائنات الحية الدقيقة المقيمة الأخرى (S7 الشكل).

تفسير آخر محتمل لنقص نقل بلازميد المقاومة من المتبرع البشري 1 في التجربة الرئيسية هو أن النقل الاقتراني قد يكون خاصًا بظروف بيئية معينة. وقد لوحظ هذا بالنسبة للبلازميدات الأخرى عبر ظروف تجريبية مختلفة [50،51]. اختبرنا ذلك عن طريق فحوصات التزاوج على النحو الوارد أعلاه ، ولكن في مجموعة من الظروف التجريبية المختلفة. اكتشفنا المتحولون المترابطون الذين حصلوا على البلازميد بتردد نهائي يبلغ حوالي 0.2٪ (كجزء صغير من إجمالي عدد السكان المتلقين) بعد خلط العزلة الحاملة للبلازميد من المتبرع البشري 1 والإجهاد البؤري على سطح أجار ، لكننا لم نعثر على المتحولون بعد إجراء نفس التجربة في ثلاثة أنواع مختلفة من وسط النمو السائل (مرق اللايسوجيني [LB] ، اللاهوائي LB ، والطين البرازي اللاهوائي الخالي من المجتمع ، الشكل 5 ب). يوضح هذا أن نقل البلازميد الاقتراني الذي عزلناه عن المتبرع البشري 1 يتطلب ظروفًا غير حيوية معينة ، والتي قد تفسر سبب فشل سلالتنا البؤرية في تطوير المقاومة عبر نقل الجينات الأفقي في وجود مجتمعات ميكروبية مقيمة. كان هذا مدعومًا بمحاكاة بلازميد افتراضي بخصائص مماثلة ولكن هذا قابل للتحويل في نظامنا المعوي المصغر (نموذج S1). يشير هذا إلى أنه إذا كان البلازميد من المتبرع البشري 1 قابلاً للتحويل بشكل مقترن في نظام الأمعاء المصغرة لدينا ، لكنا قد اكتشفنا المتحولين في تجربتنا الرئيسية (على الرغم من معدلات نقل عالية نسبيًا من طراز S1). أظهر نفس النموذج أيضًا أن قمع نمو السلالات الغازية من قبل الجراثيم المقيمة يمكن أن يقلل من وفرة المتحولين ، مما يشير إلى أنه حتى عندما يكون الاكتساب الأفقي لجينات المقاومة المفيدة أمرًا شائعًا ، يمكن للتفاعلات مع الكائنات الحية الدقيقة المقيمة أن تعرقل انتشارها.


يعدل التركيب الوراثي للنبات بشدة بنية ونمو المجتمعات الميكروبية في غلاف الذرة

درسنا المجتمعات الميكروبية في الذرة (زيا ميس) ريزوسفير لتحديد مدى تأثر بنيتها وكتلتها الحيوية ونشاطها ونموها بالنمط الجيني للنبات (سو 1 و sh2 الجينات) وإضافة جرعات قياسية وعالية من أنواع مختلفة من الأسمدة (غير العضوية ، والسماد الخام والسماد الدودي). لهذا الغرض ، أخذنا عينات من جذور نباتات الذرة عند الحصاد ، وقمنا بتحليل بنية المجتمع الميكروبي (تحليل PLFA) والنشاط (التنفس القاعدي ومعدلات النمو البكتيري والفطري). تميز التحليل التمييزي بوضوح بين المجتمعات الميكروبية في منطقة الجذور فيما يتعلق بالنمط الوراثي للنبات. على الرغم من أن الكائنات الحية الدقيقة استجابت بوضوح لجرعة الإخصاب ، إلا أن الأسمدة الثلاثة ساهمت أيضًا في التمييز بين المجتمعات الميكروبية في الغلاف الجذور. علاوة على ذلك ، لم تروج النباتات الكبيرة لمعدلات نمو الكتلة الحيوية أو الميكروبات أعلى مما يشير إلى تفاعلات معقدة بين النباتات والأسمدة ، ربما نتيجة للأداء المختلف للأنماط الوراثية النباتية داخل معالجات الأسمدة ، أي الاختلافات في جودة و / أو تكوين إفرازات الجذر.

ويبرز البحوث

يعتمد هيكل المجتمعات الميكروبية للذرة في جذور الغلاف الجوي على التركيب الوراثي للنبات. اختلفت المجتمعات الميكروبية في الغلاف الجذور تحت التسميد العضوي وغير العضوي. التفاعلات بين التركيب الوراثي للنبات والأسمدة تتحكم في الكائنات الدقيقة في منطقة الجذور.


إعلانات الأخلاق

تضارب المصالح

تهزهز. هو مؤسس مشارك لشركة Matatu ، وهي شركة تميز دور تفاعلات النظام الغذائي عن طريق الجراثيم في صحة الحيوان. بعد الانتهاء من دراسات الدكتوراه ، قام M.R.C. انضم إلى ماتاتو كعالم أبحاث. C.B.L و D.A.M. هم مؤسسو شركة Evolve Biosystems ، وهي شركة تركز على التلاعب القائم على النظام الغذائي لميكروبات الأمعاء. د. عضو في المجلس الاستشاري العلمي لـ Seres Health. L.V.B و D.B.D. تعلن عدم تضارب المصالح المالية.


التغيرات في خصائص الكربون والنيتروجين في التربة والمجتمعات الميكروبية فيما يتعلق بنمو صنوبر مشع و Nothofagus fusca الأشجار بعد 6 سنوات في الغلاف الجوي وثاني أكسيد الكربون المرتفع2

1 العنوان الحالي: قسم علوم الغابات ، جامعة كولومبيا البريطانية ، 2424 مين مول ، فانكوفر ، كولومبيا البريطانية ، كندا V6T 1Z4.

Landcare Research، PO Box 40، Lincoln 7640، New Zealand

Landcare Research ، Private Bag 11052 ، Palmerston North ، نيوزيلندا ،

معهد ماكولاي ، Craigiebuckler ، أبردين AB15 8QH ، المملكة المتحدة ،

1 العنوان الحالي: قسم علوم الغابات ، جامعة كولومبيا البريطانية ، 2424 مين مول ، فانكوفر ، كولومبيا البريطانية ، كندا V6T 1Z4.

Landcare Research، PO Box 40، Lincoln 7640، New Zealand

الملخص

زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 يمكن أن يؤثر التركيز على النمو والتركيب الكيميائي للعديد من الأنواع النباتية ، وبالتالي يؤثر على تجمعات المواد العضوية في التربة وتدفق المغذيات. هنا ، ندرس تأثيرات البيئة المحيطة (مبدئيًا 362 ميكرولتر لتر -1) والمرتفعة (654 ميكرولتر لتر -1) CO2 في غرف مكشوفة على النمو بعد 6 سنوات من نوعين من الغابات المعتدلة دائمة الخضرة: غريب ، صنوبر مشع دون ، وأحد السكان الأصليين ، Nothofagus fusca (هوك. F.) أورست. (زان أحمر). نقوم أيضًا بفحص التأثيرات المرتبطة على خصائص الكربون (C) والنيتروجين (N) في القمامة والتربة المعدنية ، وعلى الخصائص الميكروبية في التربة الجذور والغلاف الجوي. كانت التربة عبارة عن رمل ضعيف التطور يحتوي على تركيز أولي منخفض من الكربون يبلغ حوالي 1.0 جم كجم في كل من 0-100 و 100-300 مم في أعماق ن. فوسكا النظام ، تم تغطيته مبدئيًا بحوالي 50 مم من نفايات أرض الغابات (في الغالب مادة FH) مأخوذة من نوثوفاغوس غابة. تمت إضافة سماد بطيء التحرر خلال المراحل المبكرة من نمو النبات. أشارت تحليلات أوراق الشجر اللاحقة إلى أن النيتروجين لم يكن مقيدًا. بعد 6 سنوات ، لا يمكن تمييز أقطار الساق وتركيزات أوراق الشجر ونسبة C / N لكلا النوعين (ص& GT0.10) في ثاني أكسيد الكربون2 العلاجات. على الرغم من زيادة محتويات C الكلية في التربة المعدنية على عمق 0-100 مم بشكل ملحوظ (ص& lt0.001) بعد نمو 6 سنوات P. المشعة، بمتوسط ​​80 ± 0.20 جم في المتر المربع في العام ، لم تتأثر بشكل كبير بارتفاع ثاني أكسيد الكربون2. ومع ذلك ، CO2-إنتاج الكربون في القمامة وثاني أكسيد الكربون2-نسب إنتاج الكربون ، وجيم الميكروبية ، ونسب C / N الميكروبية في التربة المعدنية (0-100 ملم عمق) تحت P. المشعة كانت أعلى بكثير في ظل ارتفاع ثاني أكسيد الكربون المحيط2. كو2- كان إنتاج C ، والميكروبات C ، وعدد البكتيريا (وليس الفطريات) أعلى أيضًا بشكل ملحوظ في ظل ارتفاع ثاني أكسيد الكربون2 في تربة الغلاف الجوي ، ولكن ليس في تربة ريزوسفير. تحت ن. فوسكا، ربما حدث بعض دمج القمامة المكسوة في التربة المعدنية باستثناء ثاني أكسيد الكربون2-C production and microbial C in hyphosphere soil, none of the biochemical properties or microbial counts increased significantly under elevated CO2. Net mineral-N production, and generally the potential utilization of different substrates by microbial communities, were not significantly influenced by elevated CO2 under either tree species. Physiological profiles of the microbial communities did, however, differ significantly between rhizosphere and hyphosphere samples and between samples under P. radiata و N. fusca. Overall, results support the concept that a major effect on soil properties after prolonged exposure of trees to elevated CO2 is an increase in the amounts, and mineralization rate, of labile organic components.


Synthetic microbial communities ☆

Microbial interactions and system function are two ways to study communities.

Natural microbial communities are difficult to define and to study.

Synthetic microbial communities are comprehensible systems of reduced complexity.

Synthetic communities keep key features of natural ones and are amenable to modelling.

Synthetic microbial communities are gaining importance in biotechnology.

While natural microbial communities are composed of a mix of microbes with often unknown functions, the construction of synthetic microbial communities allows for the generation of defined systems with reduced complexity. Used in a top-down approach, synthetic communities serve as model systems to ask questions about the performance and stability of microbial communities. In a second, bottom-up approach, synthetic microbial communities are used to study which conditions are necessary to generate interaction patterns like symbiosis or competition, and how higher order community structure can emerge from these. Besides their obvious value as model systems to understand the structure, function and evolution of microbial communities as complex dynamical systems, synthetic communities can also open up new avenues for biotechnological applications.

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.


استنتاج

A number of pure-culture studies have shown a correlation between growth rate and rRNA concentration. This relationship makes intuitive and biological sense, since rRNA is a critical component of ribosomes, and ribosomes are necessary to synthesize protein. However, the correlation between real-time activity and rRNA in environmental samples is inconsistent due to differences in life histories, life strategies and non-growth activities. Using rRNA analysis as a general indicator of currently active microbes in environmental samples is not valid under many circumstances, and may actually hinder progress connecting microbial activities to ecosystem functions. Considering rRNA measurements as indicators of protein synthesis potential provides microbial ecologists with a robust framework, facilitating a more prudent yet comprehensive understanding of the complex dynamics at play in microbial communities.


Balance between growth and adaptability shapes microbial success, evolution

الائتمان: CC0 المجال العام

One of the foremost challenges in biology is the quest to uncover the underlying rules that determine how biological organisms behave in different situations. Even seemingly simple questions, such as why bacteria grow at a certain rate and why there is a tremendous variation in growth rate across species in different environments, have remained unclear.

A new study published in طبيعة سجية in July by scientists from Harvard Medical School, ETH Zurich and the University of California, San Diego now sheds light on these long-standing mysteries.

Their findings reveal that the success and evolution of microbes in different ecosystems are shaped by a fundamental trade-off between two traits: rate of growth under constant environments and the ability to adapt to changing environments.

The researchers found that bacteria growing exceptionally fast struggled as environmental conditions changed, experiencing lag time in which they were unable to grow for many hours and only eventually adapted. In comparison, when the same bacteria grew slowly, they quickly adapted to changing conditions.

"Bacteria cannot simultaneously excel at growing fast and at switching quickly between conditions when the environment suddenly changes," said study lead author Markus Basan, assistant professor of systems biology in the Blavatnik Institute at HMS.

The results may explain why microbes such as E. coli grow at vastly different rates in different environments, often much more slowly than would be expected, the authors said.

"As an analogy, one can think of a person training to become an elite long-distance runner and also an elite weight lifter at the same time," Basan added. "The weight of the muscle mass required to excel at weightlifting will undoubtedly hamper the ability of energy efficient long-distance running, at least to some degree. This is what constitutes a trade-off."

Strikingly, this effect was not specific to a few isolated conditions. In E. Coli, the team found that this trade-off is conserved across dozens of growth conditions, involving different nutrients and changing environments. They also observed the same trade-off in different microbial species separated by millions of years of evolution, including single-celled eukaryotes, all described by the same mathematical equation.

The team's experiments suggest the observed universality of the trade-off between growth and adaptability is because it emerges directly from metabolic mechanisms that are fundamental to life on earth.

The element carbon is a primary component of much of the material that makes up every living cell, such as proteins. Through diet, animals can acquire preformed building blocks like amino acids that comprise proteins. Bacteria, on the other hand, are able to convert a single source of carbon, such as a sugar, into all carbon-based building blocks using biochemistry.

However, the metabolic reactions that bacteria use to convert different sugars into biomolecules can move in opposing directions. For example, when E. coli breaks down glucose, the bacteria's carbon source of choice, they produce a molecule called acetate, which is its primary fermentation product. Under certain conditions, such as when glucose runs dry, the opposite reaction can occur, and acetate can be used for growth.

Therefore, when a preferred carbon source like glucose is depleted, bacteria must transition from one reaction direction to the opposite direction. This can wreak havoc on its metabolism, especially if the bacteria were growing quickly before the transition.

To support high growth rates, bacteria must contain a large number of enzymes that facilitate reactions in one direction. As a result, if the environment changes suddenly, only a small number of enzymes are present that can facilitate reactions in the new, correct direction. Even worse, the bacteria still contain a large number of enzymes running the reaction in the wrong direction, which actually burns energy.

"This leaves the cell trapped in a terrible situation, where most of its own enzymes are suddenly working in the wrong direction, preventing the enzymes operating in the correct direction from being produced," Basan said. "It resembles the task of Sisyphus, where despite a lot of effort the metabolites are just not getting anywhere."

After uncovering this underlying problem, the researchers were able to formulate a theoretical model that precisely captures the mathematical relationship of the trade-off between the rate of growth and the rate of adaptability. The model also made a number of precise quantitative predictions of genetic changes that affect the trade-off, which were validated experimentally.

The trade-off uncovered in this study potentially explains why microbes grow at different rates in different environments, sometimes much more slowly than expected based on other experimental evidence such as protein composition, Basan said.

Slower-than-expected growth was thought to be due to poor-quality nutrients, but the new findings suggest that it may instead arise because some nutrients signal unstable, highly fluctuating ecological environments to the microbe, where a more careful growth strategy is advantageous.

This is illustrated by a number of simple mutations in the E. coli genome that allow for much faster growth in specific conditions but also cause deficiency in adaptability.

"The study illustrates how hard-wired trade-offs between competing objectives may have shaped microbial evolution and the phenotypes that we see in different bacterial species today," Basan said. "Understanding such trade-offs gives us a rare glimpse into the complex ecological choices made by different bacterial species and helps us model these choices in a quantitative and predictive way."

The trade-off between fast growth and adaptability uncovered in this work, may help to understand the interactions in complex microbial communities like in the microbiota.

"Such trade-offs can give rise to the coexistence of bacteria with different strategies in the same ecological niche," Basan said.

Because central metabolism is highly conserved between species from bacteria to humans, a better understanding of central metabolism and its intrinsic limitations may help to understand complex human diseases.

Mathematical models that can quantitatively predict the behavior of complex biological systems like one developed in this work can also have practical relevance for synthetic biology and bioengineering applications, the authors said.

"Hopefully, quantitative and predictive models can someday transform the process for building things in biology from tedious trial and error to something more like a modern engineering discipline," Basan said. "For example, it's pretty useful for engineers to be able to calculate that something like the Golden Gate Bridge is not going to collapse, without needing build it first to try it out."


شاهد الفيديو: العوامل المؤثرة علي نمو البكتيريا في مزارع الاوساط الزراعيه - شرح Factors affecting microbial growth (كانون الثاني 2022).