Вы, наверное, слышали про так называемый дисбаланс кишечного микробиома, означающий, что здоровые пропорции бактериального состава нарушены. Дисбаланс образуется под воздействием внешних факторов, которые более пагубно влияют на одни бактерии, щадя при этом другие. Последние, получив больше свободы, начинают усиленно размножаться, задвигая своих менее удачливых соседей подальше — совершенно нормальная конкуренция за ресурсы.

Ученые из Института биологического вдохновения Вайсса, Гарвардской медицинской школы и Бригамской женской больницы задались вопросом, можно ли заставить нашу соперничающую микрофлору жить дружно. И придумали добровольно-принудительный путь решения.

Исследователи вознамерились изменить геномы бактерий так, чтобы они потеряли способность продуцировать аминокислоты, необходимые для выживания, но перепроизводили какую-нибудь одну аминокислоту. В итоге каждый вид мог бы процветать лишь в том случае, если в сообществе присутствовали другие виды, восполняющие недостающие им аминокислоты. Своего рода теория игр у микробов.

Для создания экспериментального консорциума ученые отобрали четыре вида бактерий, обычно проживающих в кишечнике млекопитающих: E.coli, S. Typhimurium, B. thetaiotaomicron и B. fragilis. Каждый штамм был генетически модифицирован для перепроизводства метионина, гистидина, триптофана либо аргинина соответственно, а способность продуцировать три другие аминокислоты им «перекрыли».

Приготовившись воочию наблюдать, как четыре модифицированных штамма перерождаются в крепкую команду мушкетеров, где «один за всех и все за одного», исследователи культивировали их вместе и обнаружили, что они растут нормально и в тех же пропорциях, но в меньшем общем количестве, чем неинженерные версии тех же самых штаммов.

Затем команда повторяла эксперимент несколько раз, при каждом повторении уменьшая начальную популяцию одного штамма на порядок, чтобы увидеть, как отряд отреагирует на потерю бойца. Исследователи обнаружили, что в консорциумах неинженерных бактерий пораженный штамм не восстанавливался, в то время как в консорциумах инженерных бактерий… хотелось бы написать, что поддерживалось процветание и баланс, однако нет.

То есть отчасти все было неплохо: S. Typhimurium и B. theta успешно восстанавливали свои нормальные уровни после нокдауна — и это была победа. Но увы, ни E.coli, ни B. fragilis восстановиться не смогли, хотя потеря B. fragilis привела к тому, что весь консорциум вырос лишь до половины своего обычного размера.

Тем не менее, ученые отнеслись к полученным результатам оптимистично. Например, они указали на то, что хотя B. fragilis не смогла восстановиться, все равно ее угнетение оказало негативное влияние на остальных, и говорит о том, что присутствие B. fragilis стало полезным для остальных видов.

Исследователи также обнаружили, что консорциумы инженерных бактерий демонстрировали большую равномерность — как in vitro, так и после инокуляции в кишечник безбактериальных мышей. Данная тенденция также присутствовала, когда бактерии выращивались в средах с низким содержанием аминокислот: это означает, что сконструированные бактерии успешно кормят друг друга своими аминокислотами, создавая стабильное сообщество.

«Как и ожидалось в сложной сети видов, не все бактериальные штаммы одинаково взаимодействуют друг с другом;  поэтому будущие исследования будут направлены на оптимизацию уровня перепроизводства и потребления аминокислот разными бактериями, улучшая общую работоспособность бактериального сообщества без ущерба для баланса видов», — сообщила соавтор исследования Памела Сильвер, Ph.D. член-основатель факультета Wyss Institute, профессор биохимии и системной биологии в Гарвардской медицинской школе.

Другие идеи исследователей включают введение целых каскадов взаимодействий, так чтобы каждый бактериальный штамм получая соединение от другого штамма, модифицировал его и «передавал» другому штамму для дальнейшей обработки. Это потенциально позволит создать эффективную «линию сборки» биопродукции с целью создания химических веществ, представляющих фармацевтический или промышленный интерес.