Een wiskundig model gemaakt door onderzoekers van de Universiteit van Illinois zou wetenschappers kunnen helpen een intrigerend kenmerk van microbiële gemeenschappen beter te begrijpen:hun vermogen om stabiliteit te bereiken ondanks dat ze zo divers zijn.

Microbiële gemeenschappen zijn groepen micro-organismen die in verschillende omgevingen voorkomen:in de bodem, in de oceanen, en in ons lichaam. Hoewel deze gemeenschappen complex en divers zijn, ze kunnen stabiele ecosystemen vormen.

Stabiliteit kan worden gedefinieerd als hoe goed de gemeenschap omgaat met veranderingen. Stabiele gemeenschappen zijn in staat weerstand te bieden aan een verandering in de nutriëntenvoorziening of een invasie van een nieuwe soort. Minder stabiele gemeenschappen zijn vatbaar voor verandering in het licht van deze verstoringen.

Sergej Maslov, een Bliss Faculty Scholar, hoogleraar bio-engineering, en een faculteitslid in het thema Biocomplexity aan het Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, en Akshit Goyal, een gastonderzoeker van het Simons Centre for the Study of Living Machines bij NCBS, in Bangalore, Indië, hebben eerder samengewerkt aan een voorspellend model om de stabiliteit van microbiële gemeenschappen te meten op basis van een economisch concept dat het "stabiele huwelijksprobleem" wordt genoemd, zoals gepubliceerd in Het ISME-tijdschrift . Ze hebben onlangs een wiskundig model gemaakt om beter te begrijpen hoe microbiële gemeenschappen functioneren en de stabiliteit behouden.

"Je hebt honderden - zo niet duizenden - soorten die naast elkaar bestaan ​​in hetzelfde kleine volume, ' zei Maslov. 'Het is bijna een regenwoud in het klein.'

hun studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , werd erkend als redacteurskeuze in het tijdschrift en vergezeld van een populair APS Focus-artikel.

Hun werk richt zich op drie kenmerkende aspecten van microbiële gemeenschappen. De eerste is diversiteit, de hoeveelheid soorten die in de gemeenschap naast elkaar bestaan. De tweede is stabiliteit, en de derde is reproduceerbaarheid, dat is hoe vaak een bepaalde soort in een gemeenschap aanwezig zal zijn.

Maslov vergelijkt dit aspect opnieuw met een regenwoud. Een regenwoud in Zuid-Amerika en een regenwoud in Afrika lijken misschien op elkaar, maar ze bevatten elk verschillende soorten. Het is logisch dat dit het geval is - het is onwaarschijnlijk dat een inheemse soort van Afrika naar Zuid-Amerika migreert.

"In microbiële gemeenschappen, we kunnen dit argument niet maken, ' zei Maslov. 'Alle microben, vrij vaak, van de ene plaats naar de andere worden vervoerd, en toch kun je verschillende soorten soorten hebben in nabijgelegen stukken grond."

Hun model beschouwde dit om te proberen te begrijpen welke soorten altijd universeel worden gedeeld in microbiële gemeenschappen, en welke soorten uniek zijn.

Ze ontdekten dat een belangrijk ingrediënt in hun model een proces was dat bekend staat als kruisvoeding. Microben consumeren voedingsstoffen en scheiden vervolgens metabole bijproducten uit, die terugkeren naar de gedeelde ruimte van de microbiële gemeenschap en worden geconsumeerd door andere microben.

"Wat we in ons model zien, is de opkomst van meerdere niveaus van consumptie van een voedingsstof, " zei Maslov. "Sommige microben bevinden zich op het hoogste niveau, waar ze direct toegang hebben tot de extern geleverde voedingsstof. Sommige andere microben zijn gespecialiseerd in alles wat een afvalproduct is van deze eerste microbe, enzovoort."

Maslov en Goyal wilden zien hoeveel niveaus van consumptie naast elkaar kunnen bestaan ​​in een gemeenschap, en ontdekte dat het afhangt van hoe snel microben groeien - langzame groei bevordert een grotere diversiteit en een groter aantal niveaus.

Een andere belangrijke factor voor het functioneren van de gemeenschap is de volwassenheid van het ecosysteem. Volwassen ecosystemen bevatten meer soorten, en deze soorten zijn efficiënter in het gebruik van hun hulpbronnen. Ze gebruikten hun model om te karakteriseren hoeveel tijd nodig is om een ​​gemeenschap te beschrijven als een volwassen ecosysteem.

"We proberen te begrijpen wat bepaalde staten stabiel maakt, en hoeveel van zulke stabiele staten zijn er, "Zei Maslov. "Wat is het bereik van verstoringen dat een staat kan verdragen voordat het in iets anders verandert of in elkaar stort?"

Dit werk heeft implicaties voor grotere ecosystemen over de hele wereld.

"Natuurlijk willen we stabiliteit begrijpen vanuit het standpunt dat we het milieu op een ongekende manier verstoren, "Zei Maslov. "We willen begrijpen hoe ver we kunnen gaan voordat alles instort."

Als wetenschappers dit beter kunnen begrijpen, ze kunnen op een dag leren hoe ze microbiële ecosystemen kunnen beheersen. Bijvoorbeeld, een bodemmicrobioom kan misschien in een andere staat worden veranderd door microben of voedingsstoffen toe te voegen. Omdat de systemen zo complex en divers zijn, dit is momenteel niet te realiseren.

"Daarom is onze heilige graal, in dit en toekomstige werk, is in staat te zijn om voorspelbaar en betrouwbaar de overgangen van het ecosysteem te beheersen van de staat waarin het zich bevindt naar de staat die we willen dat het is, "Zei Maslov. "We willen het kunnen doen zonder echt in te storten."