(Scharvik/iStock/Getty Images) Bakterienkolonien würden lieber ' evolutionärer Selbstmord ', als sich mit Betrügerstämmen abzufinden, die die Kolonie aussaugen, ohne etwas zurückzugeben.
Das ist das Ergebnis eines Forscherteams, das modelliert wie eine Kolonie auf Trittbrettfahrerbakterien reagiert, die mehr als ihren gerechten Anteil fressen.
Bakterien arbeiten oft zusammen als Kolonie, um zu überleben, Ressourcen produzieren die von anderen Bakterien genutzt werden.
Beispielsweise scheiden Bakterien häufig Enzyme aus, die Nahrungsquellen in Nährstoffe zerlegen, was benachbarten Bakterien zugute kommt.
Manchmal können sie jedoch egoistische Betreiber sein, die Ressourcen verbrauchen, ohne selbst welche beizutragen.
„Für ein Bakterium ist es kostspielig, einen Beitrag zur Gemeinschaft zu leisten. Deshalb ist es für einen egoistischen Menschen am besten, einfach das zu nehmen, was ihm angeboten wird, ohne etwas zurückzugeben.“ sagt Alex Moffett, Computerbiologe an der York University in Toronto und Hauptautor der neuen Studie. „Aber offensichtlich ist das für alle schlecht, daher braucht die Gemeinschaft eine Möglichkeit, schlechtes Verhalten zu unterbinden.“
Zur Bestimmung der Rate biochemischer Produkte (auch bekannt als „ öffentliche Güter ') Abhängig von der Populationsdichte verwenden Bakterienkolonien ein System namens dessen Wahrnehmung .
Quorum Sensing funktioniert, indem es die Expression kooperativer Gene in einer Bakterienpopulation durch kleine Moleküle, sogenannte Autoinduktoren, reguliert.
Je mehr Bakterien vorhanden sind, desto mehr Autoinduktoren reichern sich an. Steigt die Konzentration der Autoinduktoren über kritische Werte, löst dies Veränderungen bei den Bakterien aus, die als Gruppe über die verfügbaren Ressourcen hinausgewachsen sind.
Mithilfe eines mathematischen Modells fanden die Forscher heraus, dass Quorum Sensing dazu führt, dass Schmarotzer bestraft werden, indem die Verfügbarkeit gemeinsam genutzter Ressourcen verringert wird.
Aber in manchen Fällen schadet die Bestrafung von Betrügern dem Überleben der gesamten Kolonie, da auch den Produzenten Ressourcen fehlen.
„Ohne alternative Nährstoffe wird durch das Quorum Sensing der Erzeuger der gesamten Bevölkerung die einzige Nährstoffquelle vorenthalten, was sowohl Erzeugern als auch Betrügern im Hinblick auf die mittlere Aussterbezeit der Gesamtpopulation schadet“, so die Forscher schreiben .
„Wir hatten nicht damit gerechnet, dieses Verhalten zu sehen, das man vielleicht sogar als ‚boshaft‘ bezeichnen würde“, erklärt Andrew Eckford, ein Computerbiologe, ebenfalls von der York University. „Aber es zeigt, dass Quorum Sensing ein bemerkenswert flexibles Instrument zur Durchsetzung von Fairness ist.“
Der Forscher beschreiben dieses Verhalten als „ein mögliches Beispiel für demografisch stochastischen evolutionären Selbstmord“.
Obwohl mathematische Modelle voller Annahmen sind, sind sie nützliche Werkzeuge, die Wissenschaftlern helfen, komplizierte, dynamische Systeme in den Griff zu bekommen. In diesem Fall könnte das Verständnis der brutalen Kompromisse, die Bakterienkolonien zum Überleben eingehen, mit weiteren Untersuchungen Aufschluss darüber geben, wie sich bakterielle Infektionen ausbreiten und Krankheiten verursachen.
Beispielsweise erkranken Menschen mit Mukoviszidose häufig an Lungeninfektionen Pseudomonas aeruginosa – ein arzneimittelresistenter Superbug ' - sein gemeinsamer Schuldiger .
In der Lunge, P. aeruginosa bildet kleine, dichte Biofilme aus etwa 1.000 Bakterienzellen, die als robuste Schutzschicht fungieren und es schwieriger machen, die Bakterien abzutöten und die Infektion mit Antibiotika zu beseitigen
Die mathematische Modellierung des Quorum Sensing könnte Forschern helfen zu verstehen, wie Bakterien die Lunge so effektiv besiedeln können, was den Weg für neue Behandlungen weisen könnte. sagt Moffett.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in PLOS Computational Biology .