Миролюбивые микробы выживают агрессивных конкурентов в суровых условиях

Фазовые портреты модели Дарретта-Левина (S2.1) с уменьшающимися показателями смертности. Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2424372122

В мире микроорганизмов, где микробы часто пытаются уничтожить конкурентов, производя различные токсины, иногда выгоднее быть пацифистом.

Исследователи из Корнеллского университета (Центр прикладной математики) обнаружили, что миролюбивые микробы с большей вероятностью выживают, а их агрессивные конкуренты погибают, если среда обитания суровая или подвержена резким изменениям.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущий автор статьи — Миньи Ван (MingYi Wang), магистр наук (2021), доктор философии (2024).

«Главный вопрос был: когда быть агрессивным выгодно, а когда — губительно?» — пояснил Андреа Джометто, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Корнеллского инженерного колледжа и соавтор исследования.

«Микробы часто тратят метаболические ресурсы на антагонистическое поведение, то есть им приходится вкладывать энергию в это. Особенно когда есть возможности для роста и вокруг ещё мало микробов, может быть выгоднее направить эту энергию на более быстрое деление».

Проект начался, когда Ван, тогда ещё аспирант по прикладной математике, проходил курс Джометто «Стохастическое моделирование сложных систем», где на примерах из биологии и экологии изучались процессы, в которых случайность играет ключевую роль.

Ван также привлёк своего научного руководителя, профессора математики Александра Владимирского.

«Он пришёл ко мне и сказал: „Эй, есть замечательная область, где наши математические инструменты могут пригодиться“», — вспоминает Владимирский, также соавтор работы. — «Так мы с Андреа начали обсуждать эту тему».

Антагонизм микробов помогает им закрепиться и победить конкурентов. Эта стратегия может приносить пользу их хозяевам, защищая от патогенов, а также помогать людям в целом, предоставляя антимикробные соединения для борьбы с инфекциями. Однако исход конкуренции зависит от условий среды.

В стабильных лабораторных условиях агрессивные микробы обычно побеждают менее агрессивных, но в изменчивой среде всё наоборот. Например, в микробиоме кишечника, который нарушается приёмом антибиотиков, или в зубном налёте, который удаляется при чистке зубов.

Исследователи смоделировали эти «бум-крах» динамики. Ежедневно они выращивали «убийц» и «чувствительные» штаммы дрожжей Saccharomyces cerevisiae, затем разбавляли их и подсчитывали выжившие клетки каждого штамма. Цикл повторялся многократно.

«Мы видим, что при частом разбавлении среды — в нашем случае ежедневно — неантагонистические клетки выживают лучше, чем при редком разбавлении (у нас это было каждые 48 часов)», — отметил Джометто.

Компьютерное моделирование помогло ответить на вопросы, которые трудно изучить в биологических экспериментах: влияние силы и частоты разбавления, случайность или предсказуемость времени разбавления, а также разные стратегии производства токсинов агрессивными микробами. Моделирование также показало важность некоторых «стратегий» антагонистов, таких как кворум-сенсинг, позволяющий им вступать в борьбу в ответ на определённые сигналы среды или микробов.

«Когда разбавление происходит случайно, антагонисты могут получить значительное преимущество, выбирая момент для производства токсина», — пояснил Владимирский. — «Напротив, при регулярном разбавлении выгода от избирательности гораздо меньше».

Понимание баланса между метаболической стоимостью антагонизма и его конкурентными преимуществами может помочь в разработке пробиотиков, эффективно борющихся с инфекциями за счёт регулирования агрессивного поведения в зависимости от состава сообщества и условий среды.

Этот урок может быть полезен не только микробам, но и другим конкурентам — от животных до людей и организаций.

«Говоря простыми словами, если вы слишком сосредоточены на вреде другим, это отнимает время и энергию, которые можно было бы потратить на собственное развитие или производство потомства», — сказал Владимирский. — «Наше исследование показывает, что окупаемость агрессивного поведения в долгосрочной перспективе — сложный вопрос. Ответ зависит не только от типа и количества конкурентов и средних свойств среды, но и от того, как эта среда меняется со временем».

Дополнительная информация: MingYi Wang et al, Overcoming toxicity: How nonantagonistic microbes manage to thrive in boom-and-bust environments, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2424372122

Источник: Cornell University