Микрофлюидная среда меняет поведение микробов, открывая потенциал для их социальной эволюции.

Микробы – социальные существа. Как и люди, они общаются и сотрудничают друг с другом, чтобы решать проблемы, которые важнее их самих. В микробном сообществе найдутся даже безбилетники и другие, которые их контролируют.

А что, если исследователи смогут повлиять на их социальную эволюцию, чтобы способствовать определенному поведению? Это может иметь жизненно важное значение для решения многих сегодняшних проблем, таких как борьба с инфекцией и устойчивость к антибиотикамразрабатывая микробные стратегии для очистки сточных вод или сбор альтернативных источников энергии.

Исследовательская группа под руководством Дервиса Кана Вурала, доцента кафедры физики и астрономии Университета Нотр-Дам, изучила, как социальная эволюция микробы ими можно манипулировать путем настройки физических параметров среды, в которой они живут. Результаты были недавно опубликовано в Биофизический журнал.

«Гидродинамика меняет все», — сказал Вурал. «Мы хотели знать, сможем ли мы спроектировать социальную структуру микробных сообществ. Судя по нашим моделям, ответ — да».

Микроорганизмы общаются и сотрудничают, используя различные секреты, производство которых дорогостоящее, но приносящее пользу всему сообществу. Эти продукты называются «общественные благаНапример, они могут выделять пищеварительные ферменты, которые затем расщепляют пищу вокруг них, и это приносит пользу всем.

Тогда есть мошенники. Эти «безбилетники» не вносят такого большого вклада в пул общественных благ, но они все равно получают выгоду от вклада других – и они наносят ущерб системе.

«Мошенники больше заботятся о собственном успехе, чем об успехе сообщества», — объяснил Вурал. «Поскольку они вносят меньший вклад в общественные блага, они могут направить больше ресурсов на самовоспроизводство. Таким образом, они размножаются быстрее, чем другие, и в конечном итоге они будут доминировать над населением. Акт мошенничества распространяется, и вы видите, что очень мало микробов действительно делают это». работать, а когда никто не выполняет эту работу, все население вымирает».

С помощью физически и биологически реалистичных вычислительных моделей исследователи решили понять, как контролировать структуру взаимодействия, чтобы «помочь использовать весь потенциал микробных популяций», пишут они в исследовании.

Поток жидкости создает поперечные силы, своего рода движение, которое разрывает микробные скопления и заставляет их фрагментироваться. «Если кластеры фрагментируются чаще, чем скорость появления мутантов-мошенников, сотрудничество преобладает», — сказал Вурал. «Итак, контролируя структуру потока, мы можем контролировать структуру сотрудничества».

Команда Вурала рассмотрела множество способов управления эволюцией социального поведения, включая применение различных схем потока через различные камеры, воронки, микроканалы, фильтры и химические вещества, а в некоторых случаях и периодические импульсы. Некоторые модели были разработаны для создания вихря, который посредством своей структуры сдвига локализовал сотрудничающих внутри кольца, одновременно выталкивая мошенников к внешнему краю окружающей среды, что, по сути, локализовало сотрудничество.

«Микробы могут сотрудничать в одном месте, но нигде больше», — объяснил Вурал. «Вы можете поощрять кооперативное поведение, чтобы мошенники не появлялись и не угрожали населению. Вы можете сделать обратное — при желании поощрять мошенников уничтожать популяцию микроорганизмов. И вы можете делать что-то среднее. Вы можете точно настроить степень сотрудничества».

Подход Вурала не пытается подавить способность микробов выделять общественное благо или отходы или действовать как мошенники — вместо этого он создает среду, которая заставляет микроорганизмы развиваться тем или иным образом.

«Мы не имеем дело с отдельными людьми», — сказал он. «Мы заставляем все население развиваться, изменяя физику таким образом, чтобы стимулировать их обманывать или сотрудничать».

Это исследование является последним исследованием Vural о потенциале инженерной социальной эволюции в микрофлюидных средах. «Воплощение этих идей в экспериментальную реальность будет сложной задачей», — признал он, заявив, что для этого потребуется очень точно настроенное устройство с микроскопическими трубками, фильтрами и проточными камерами. Но он сказал, что результаты очень многообещающие и мотивируют «эволюционную инженерию» как новую область исследований.

«Наша работа обычно носит теоретический характер, но в данном случае нас мотивировала вполне реальная возможность разработки социальная эволюция“, – сказал Вурал. – “Эксперименты будут сложными, но существует огромный потенциал для практического использования”.

Моделирование провел студент Вурала Гурдип Уппал, который сейчас учится в Гарвардской медицинской школе.