_ Mediile microfluidice modifică comportamentele microbilor, deschizând potențialul pentru proiectarea evoluției lor sociale

Microbii sunt ființe sociale. La fel ca oamenii, ei comunică și cooperează între ei pentru a rezolva probleme mai mari decât ei înșiși. Într-o comunitate microbiană, vor exista chiar și free riders și alții care îi supraveghează.

Așadar, ce ar fi dacă cercetătorii ar putea influența evoluția lor socială pentru a promova anumite comportamente? Acest lucru poate fi vital pentru a rezolva multe dintre provocările actuale, cum ar fi combaterea infecțiilor și a rezistenței la antibiotice, dezvoltarea strategiilor microbiene pentru tratarea apelor uzate sau recoltarea surselor alternative de energie.

Un grup de cercetare condus de Dervis Can Vural, profesor asociat. de la Departamentul de Fizică și Astronomie de la Universitatea Notre Dame, a explorat modul în care evoluția socială a microbilor poate fi manipulată prin reglarea parametrilor fizici ai mediului în care trăiesc. Rezultatele au fost publicate recent în Biophysical Journal.

„Dinamica fluidelor schimbă totul”, a spus Vural. „Ceea ce am vrut să știm a fost dacă am putea proiecta structura socială a comunităților microbiene. Pe baza modelelor noastre, răspunsul este da.”

Microorganismele comunică și cooperează folosind diferite secreții care sunt costisitoare de produs, dar totuși. oferi un beneficiu întregii comunități. Aceste produse se numesc „bunuri publice”. De exemplu, ei ar putea secreta enzime digestive, care apoi descompun alimentele din jurul lor, iar acest lucru îi aduce beneficii tuturor.

Apoi sunt trișori. Acești free rider nu contribuie la fel de mult la fondul de bunuri publice, dar beneficiază totuși de contribuțiile altora – și sunt în detrimentul sistemului.

„Trecătorii le pasă mai mult de propriul succes. decât cel al comunității”, a explicat Vural. „Din moment ce contribuie mai puțin la bunurile publice, pot dedica mai multe resurse auto-reproducției. Așadar, se înmulțesc mai repede decât alții și, în cele din urmă, vor domina populația. Actul de a înșela se răspândește și vezi foarte puțini microbi care fac efectiv lucrează — iar când nimeni nu face treaba, întreaga populație se prăbușește.”

Prin modele de calcul realiste din punct de vedere fizic și biologic, cercetătorii și-au propus să înțeleagă cum să controleze structura de interacțiune pentru a „ajuta la utilizarea întregului potențial al populațiile microbiene”, au scris ei în studiu.

Curgerea fluidelor creează forțe de forfecare, un fel de mișcare care trage grupurile microbiene și le determină fragmentarea. „Dacă clusterele se fragmentează mai des decât rata la care apar mutanții înșelători, cooperarea prevalează”, a spus Vural. „Așadar, controlând modelul de flux, putem controla modelul de cooperare.”

Echipa lui Vural a analizat mai multe mijloace de control al evoluției comportamentului social, inclusiv aplicarea diferitelor modele de flux prin diferite camere, pâlnii. , microcanale, filtre și substanțe chimice și, în unele cazuri, în impulsuri periodice. Unele modele au fost concepute pentru a crea un vortex, care, prin modelul său de forfecare, a localizat cooperanții într-un inel în timp ce îi împinge pe cei care trișează la marginea exterioară a mediului - în esență, localizează cooperarea.

„Puteți cere microbii să coopereze în interiorul acesteia. o vecinătate, dar nicăieri altundeva”, a explicat Vural. „Puteți promova comportamentul cooperant, astfel încât să nu apară trișori care să amenințe populația. Puteți face opusul – încurajați trișorii să omoare o populație de microorganisme, dacă doriți. Și puteți face orice între ele. Puteți regla fin grad de cooperare.”

Abordarea lui Vural nu încearcă să inhibe capacitatea microbilor de a secreta un bun public sau deșeuri sau să acționeze ca un înșelători – în schimb, ea creează un mediu care face ca microorganismele să evolueze într-unul. fel sau altul.

„Nu avem de-a face cu indivizi”, a spus el. „Facem o întreagă populație să evolueze ajustând fizica într-un mod care îi stimulează să înșele sau să coopereze.”

Studiul este cea mai recentă cercetare de la Vural privind potențialul de inginerie al evoluției sociale în medii microfluidice. . „Transformarea acestor idei în realitate experimentală va fi o întreprindere complexă”, a recunoscut el, spunând că va necesita un dispozitiv foarte fin reglat, fixat cu tuburi microscopice, filtre și camere de curgere. Dar el a spus că rezultatele sunt foarte promițătoare și motivează „ingineria evolutivă” ca un nou domeniu de studiu.

„Munca noastră este de obicei condusă teoretic, dar în acest caz, am fost motivați de posibilitatea foarte reală de a ingineria evoluției sociale”, a spus Vural. „Experimentele vor fi complicate, dar există un potențial uriaș pentru utilizare practică.”

Simulările au fost efectuate de studentul lui Vural, Gurdip Uppal, acum la Harvard Medical School.

(Fluierul)