Bacteriën, de kleinste levende organismen ter wereld, vormen gemeenschappen waar verenigde lichamen van individuen samenleven, een deel van het eigendom bijdragen en gemeenschappelijke belangen delen.

De grond rond de wortels van een plant bevat miljoenen organismen die constant met elkaar in wisselwerking staan ​​- te veel drukke spelers om tegelijk te bestuderen, ondanks het belang om te begrijpen hoe microben zich vermengen.

In een studie gepubliceerd in het tijdschrift mBio , ontdekten onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison dat een drastisch verkleind model van een microbiële gemeenschap het mogelijk maakt om enkele van de complexe interacties te observeren. Daarbij ontdekten ze een belangrijke speler in microbiële communicatie:de aan- of afwezigheid van een antibioticum dat door een van de leden van de gemeenschap werd geproduceerd, had invloed op het gedrag van de andere twee leden.

Er is weinig bekend over hoe individuele microben met elkaar omgaan in gemeenschappen, maar die kennis is ongelooflijk veelbelovend.

De bacterie Bacillus cereus kan bijvoorbeeld planten beschermen door een antibioticum te produceren dat de ziekteverwekker afschrikt die "demping" veroorzaakt, een ziekte die zaailingen doodt en kostbaar is voor boeren. Maar biologische bestrijdingsmiddelen zoals B. cereus zijn niet altijd effectief. Soms bloeien planten die zijn behandeld met B. cereus, soms niet - en onderzoekers proberen te begrijpen waarom.

"Bacteriën leven niet geïsoleerd", zegt Amanda Hurley, hoofdauteur van de nieuwe studie; AAAS Wetenschap en Technologie Beleidsmedewerker; en voormalig postdoc in het lab van UW-Madison-professor Jo Handelsman, directeur van het Wisconsin Institute for Discovery.

"Als we zouden kunnen achterhalen hoe interacties tussen soorten veranderen in de aanwezigheid van meerdere soorten, kunnen we communicatietrends van hele microbiële gemeenschappen gaan begrijpen. Met behulp van chemie of genetica kunnen we bepaalde gesprekken onderbreken en andere versterken, wat leidt tot microbiomen die interageren met hun omgevingen positiever en voorspelbaarder, of het nu mensen, gewassen of de bodem zelf zijn."

Het ontcijferen van de interacties tussen micro-organismen zou kunnen helpen bij het ontwerpen van een omgeving die gunstiger is voor Bacillus cereus. Hurley en co-auteurs Marc Chevrette, voormalig postdoc in het Handelsman-lab en momenteel assistent-professor aan de Universiteit van Florida, en Natalia Rosario-Melendez, afgestudeerde student in het Handelsman-lab, begonnen de chemische gesprekken te decoderen en te vertalen. De groep creëerde een modelsysteem bestaande uit drie soorten - Flavobacterium johnsoniae en Pseudomonas koreensis werden geïsoleerd met B. cereus uit in het veld gekweekte sojabonen - die ze "The Hitchhikers of the Rhizosphere" of THOR noemden.

Bacteriën communiceren vaak via de taal van de chemie. Het manipuleren van die chemie met behulp van genen en chemicaliën zou het gesprek kunnen veranderen en ervoor zorgen dat Bacillus cereus zich welkom voelt op plantenwortels.

De onderzoekers bouwden profielen van de THOR-organismen met behulp van hun mRNA, moleculen die worden geproduceerd wanneer een gen tot expressie wordt gebracht. In elke combinatie van THOR-bacteriën zochten de onderzoekers naar verschillen in genexpressie. De THOR-organismen reageerden in elke combinatie anders op elkaar en toen alle drie de soorten samen waren, begonnen er nieuwe dingen te gebeuren die niet in een van de paren of enkele omstandigheden gebeurden.

In de THOR-gemeenschap werd genexpressie gedomineerd door interacties met één lid, P. koreensis. De resultaten werden gemedieerd door de aanwezigheid van het antibioticum koreenceïne - de metaforische hamer van THOR. Dit enkele molecuul lijkt de expressie en interactie van duizenden genen in gemeenschapsnetwerken te beïnvloeden. Bepalen hoe koreenceine de genen van de gemeenschap reguleert, zal volgens de onderzoekers een vruchtbare weg zijn voor verder onderzoek.

Het onderzoek bevestigt Handelsmans vroege idee dat gemeenschappen het onderzoeken waard zijn, omdat de activiteit binnen de gemeenschap niet alleen de som van de leden is, maar ook de eigenschappen van de gemeenschap weerspiegelt.

"Traditioneel kijken mensen maar naar één organisme. Wat ons onderzoek anders maakt, is dat we naar de gemeenschap keken", zegt Chevrette. "Gemeenschappen zijn anders. Er is iets inherent uniek aan een gemeenschap dat haar anders maakt dan de som der delen. Het gebruik van de eenvoud van modelmicrobiomen kan ons helpen bij de uitdaging om microben in complexe gemeenschappen te begrijpen, en hoe ze kunnen worden veranderd om de gezondheid van mens, milieu en landbouw te verbeteren." + Verder verkennen

THOR worstelt met complexe microbiomen tot een model om ze te verbeteren