Forscher entwickeln neues Modell, das zeigt, wie Bakterien kommunizieren

Wenn Bakterien interagieren, geben sie zelluläre Signale ab, die bei ihren Nachbarn eine Reaktion auslösen können, wodurch sie sich anders verhalten oder andere Substanzen produzieren. Beispielsweise können sie kommunizieren, um die Bewegung weg von der Gefahr zu koordinieren oder Licht auszusenden, um Raubtiere abzuwehren.

In neuen Forschungsergebnissen, die von veröffentlicht wurden Biophysikalische Berichte, legen Forscher der Florida State University und der Cleveland State University ein mathematisches Modell vor, das erklärt, wie Bakterien innerhalb eines größeren Ökosystems kommunizieren. Durch das Verständnis, wie dieser Prozess funktioniert, können Forscher vorhersagen, welche Aktionen bestimmte Umweltreaktionen einer Bakteriengemeinschaft hervorrufen könnten.

„Typischerweise haben Modelle von Bakterien in synthetischen Umgebungen viele, viele Gleichungen beinhaltet, die viele, viele Dinge beschreiben, aber sie waren nicht wirklich flexibel für verschiedene Anwendungen“, sagte Co-Autor Bhargav Karamched, Assistenzprofessor an der FSU-Abteilung für Mathematik und die Institut für Molekulare Biophysik. „Was meine Mitarbeiter und ich getan haben, ist, ein flexibles mathematisches Modell zu erstellen, das auf eine Vielzahl von experimentellen Einstellungen angewendet werden kann.“

Modelle wie das von Karamcheds Team entwickelte helfen bei der Vorhersage, wie diese Bakteriengemeinschaften die Aktivität koordinieren, und ermöglichen es Designern, die Parameter einer Gemeinschaft, wie die Populationsgröße verschiedener Bakterienarten oder Rückkopplungsschleifen, anzupassen und sie für verschiedene Zwecke anzupassen. Beispielsweise kann es in einer Population von zwei Arten von Bakterien für einen Wirtsorganismus gefährlich sein, mehr von einer Bakterienart zu haben, während es von Vorteil sein kann, mehr von der anderen zu haben. Die richtige Mischung ist entscheidend, und Modelle helfen Forschern, die von ihnen geschaffenen Bakteriengemeinschaften zu entwerfen und zu analysieren.

„Was der Synthetischen Biologie derzeit fehlt, sind diese allgemeinen, flexiblen Modelle, die von der Stange fertig sind“, sagte Karamched. „Dies erfasst möglicherweise nicht alle Details in einer Bakteriengemeinschaft, erfasst aber dennoch den allgemeinen Rahmen dessen, was vor sich geht. Wissenschaftler und Ingenieure können dies verwenden, um sie mit ihrer experimentellen Arbeit zu vergleichen und voranzukommen.“

Die Forscher testeten ihr Modell auch anhand zuvor veröffentlichter Forschungsergebnisse, die untersuchten, wie Bakterien über große räumliche Lücken hinweg kommunizieren. Die bisherige Forschung ergab, dass die Bakterien nur eine positive Rückkopplungsschleife brauchten, um sich gegenseitig zu signalisieren. Das Modell von Karamched und seinen Mitarbeitern sagt jedoch voraus, dass die Produktionsrate von Signalmolekülen ebenfalls innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen muss, damit eine Koordination stattfinden kann.

„Dieses Modell bildet die Grundlage für eine breite Palette zukünftiger Experimente, bei denen verschiedene Belastungswechselwirkungen und -geometrien getestet werden“, sagte Co-Autor Shawn Ryan, außerordentlicher Professor am Institut für Mathematik und Statistik und Co-Direktor des Zentrums für angewandte Datenanalyse und Modellieren an der Cleveland State University.

Ryan Godin, ein ehemaliger Student der Cleveland State University und derzeit Doktorand der Iowa State University in Chemieingenieurwesen, war der Hauptautor dieses Artikels.