Načrtovanje mikrobnih konzorcijev z določenimi družbenimi interakcijami

Povzeto po članku: Kong, W., Meldgin, D. R., Collins, J. J. in Lu, T. Designing microbial consortia with defined social interactions. Nat. Chem. Biol. 14, 821–829 (2018).

Sintezni mikrobni konzorciji

Mikroorganizmi se med seboj povezujejo v skupnosti (konzorcije) in tvorijo kompleksne ekološke interakcijske mreže. Družbene interakcije znotraj mrež imajo lahko na mikrobe pozitivne ali negativne učinke¹, prav tako pa so se slednje izkazale za zelo pomembne pri določanju dinamike ekosistema². V naravi so mikrobni konzorciji navzoči v različnih okoljih in so vključeni v procese, kot sta bioremediacija in prebavljanje hrane^2-4. V takšne naravne skupnosti, katerih funkcija pogosto ni poznana, je povezano več različnih vrst mikrobov⁵. Potencialne biotehnološke aplikacije in razvoj sintezne biologije pa sta omogočila konstruiranje sinteznih mikrobnih konzorcijev, ki so v primerjavi z naravnimi bolj okarakterizirani in manj kompleksni^4,5. So premišljeno oblikovane skupnosti mikroorganizmov, ki se med seboj sporazumevajo, njihovo vedenje pa je moč nadzorovati in poljubno programirati za opravljanje kompleksnejših nalog².

Preoblikovanje modularnih biosinteznih poti

Sestavljaje sinteznih genetskih vezji navadno poteka od spodaj navzgor (od promotorja do terminatorja) z vstavljanjem posameznih delov DNA v vezje². Eden od novih načinov priprave genetskih vezij pa je modularno preoblikovanje že obstoječih genskih skupkov v različnih genetskih omrežjih⁶. Ta pristop se v zadnjem času kaže kot izredno močno orodje pri oblikovanju vezij, predvsem v sistemih z naraščajočo kompleksnostjo želenega odziva in visoko modularnostjo nativnega genetskega omrežja².

Skupina raziskovalcev (Kong in sod.) je izkoristila biosintezno pot nisina in laktocina A (lcnA) v bakteriji Lactococcus lactis za razvoj programabilnih celic, ki so nato predstavljale osnovo za sintezne mikrobne konzorcije. Spreminjanje kombinacij modulov v teh poteh vpliva na različno izločanje signalnih molekul in baktericidne lastnostni, kar omogoča hitro vzpostavitev različnih družbenih interakcij. Ustvarili so šest konzorcijev kot skupnosti dveh sevov. Vsak konzorcij je predstavljal svojo družbeno interakcijo: priskledništvo, amenzalizem, nevtralizem, simbiozo, tekmovanje in plenilstvo. Prav tako je vsak od njih sledil drugačni populacijski dinamiki, njihove značilnosti pa so bile določene z osnovnimi interakcijami. Skupina je svoje izsledke nato uporabila še za oblikovanje ekosistemov s tremi ali štirimi sevi in določitev prostorske dinamike.

Načrtovanje in priprava konzorcijev z določenimi družbenimi interakcijami

Nisin in laktocin A

Nisin je antimikorbni peptid in molekula za zaznavanje celične gostote. Kodira ga 11 skupkov genov, ki so združeni v pet funkcionalnih modulov, za nastajanje prekurzorjev, premestitev in začetne modifikacije, sekundarne modifikacije, imunost in signaliziranje. Tudi IcnA je antimikrobni peptid, njegova osnovna biosintezna pot pa je sestavljena iz treh modulov: nastajanje prekurzorja, premestitev in imunost^2,7.

Kong in sod. so kot gostiteljski sev uporabili sev NZ9000 bakterije L.lactis. Kot reporterski sistem sta služila fluorescenčna proteina mCherry in GFPuv².

Sintezni konzorciji z enosmernimi interakcijami

V prvem delu študije načrtovanja konzorcijev so raziskovalci konstruirali konzorcije z dvema sevoma, ki sta med seboj komunicirala z enosmernimi interakcijami. Prva takšna interakcija je priskledništvo. V tem razmerju ima en sev korist od drugega, medtem ko drugi nima niti koristi niti škode². V prvi sev (CmA) so vstavili zapis za celotno pot biosinteze nisina in gen za rezistenco proti tetraciklinu (tetR), ki se je konstitutivno izražal. V drugi sev (CmB) pa so vključili le del poti za biosintezo nisina (modul za signalizacijo in modul za imunost) ter tetR pod vplivom inducibilnega promotorja za nisin. Če sta bila v gojišču s tetraciklinom prisotna oba seva, sta zrasla oba. Sev CmA je bil v korist sevu CmB. Prvi namreč izloča nisin, kar sproži izražanje tetR v drugem sevu, ki postane rezistenten proti tetraciklinu. Mehanizem priskledništva je v tem primeru pravzaprav rezistenca seva CmB na tetraciklin, ki jo sproži izražanje nisina v sevu CmA.

V drugem konzorciju je komunikacija stekla po principu amenzalizma, v tem odnosu en sev negativno vpliva na drugega. To so dosegli s povečanjem baktericidnega učinka nisina. Tudi tokrat so v prvi sev (AmA) vključili celotno pot za biosintezo nisina, drugi sev (AmB) pa transformirali le z vektorjem pCCAMβ12, ki sistemsko optimizira proizvajanje nisina7. Če sta bila v gojišču prisotna oba seva, sev AmB ni uspeval, kar dokazuje škodljiv učinek seva AmA na sev AmB.

Kot kontrolo priskledništvu in amenzalizmu so konstruirali še skupnost nevtralizma. Oba seva, NeA in NeB, so transformirali z vektorjem pCCAMβ1. Izkazalo se je, da sta bila oba sposobna rasti tako samostojno, kot če sta bila v gojišču prisotna oba hkrati. S tem poskusom so dokazali, da je njuna družbena interakcija nevtralna.

Sintezni konzorciji z dvosmernimi interakcijami

Po okarakteriziranju enosmernih socialnih interakcij, so v drugem delu študije ustvarili sisteme z dvosmerno komunikacijo, in sicer s simbiozo, tekmovanjem in plenjenje. Simbioza je proces, v katerem vrste med seboj sodelujejo in imajo obojestransko korist². Za pripravo konzorcija s takšnim načinom sporazumevanja, so zasnovali skupno nalogo – proizvodnjo nisina. Ta večstopenjski proces je vključeval sintezo prekurzorja, premestitev in posttranslacijske modifikacije. Sev CoA je omogočal sintezo in izločanje prekurzorja nisina, sev CoB pa je ta prekurzor pretvoril v aktivni nisin. Seva so razvili z modularnim preoblikovanjem biosintezne poti slednjega, vstavili so še gen za rezistenco proti tetraciklinu, ki je bil pod nadzorom inducibilnega promotorja in reporterski sistem. Rezultati poskusa kažejo, da sta CoA in CoB rasla v mediju s tetraciklinom le v primeru kokulitvacije. V primeru spremenjene vloge nista zrasla, to pa je dokaz, kako pomembno je sodelovanje za rast inženirsko ustvarjenih sevov.

Tekmovanje je interakcija med vrstami, pri kateri je fitnes ene vrste manjši zaradi prisotnosti druge². Eksperimentalno so ustvarili dva seva, ki sta med seboj tekmovala. V seva so ločeno vstavili poti za biosintezo nisina (sev CpA) in IcnA (sev CpB). Če sta bila v gojišču prisotna skupaj, se je fintes obeh sevov zmanjšal. CpA je rasel z zamikom, CpB sploh ni. CpA je zmagal tekmovanje in dominiral v populaciji. In čeprav je CpB izgubil tekmovanje, je izločen IcnA na začetku tekmovanja povzročil upočasnitev in zmanjšanje rasti CpA v kokulturi.

Plenjenje pa je družbena interakcija, v kateri ena vrsta (plen) koristi drugemu (plenilec), sama pa je pri tem oškodovana². Ta interakcija je topolško enakovredna dvema enosmernima interakcijama - priskledništvu in amenzalizmu z nasprotnima orientacijami. To skupnost so Kong in sod. vzpostavili tako, da so priskledniški sev CmA uporabili kot plen (PrA), plenilec pa je bil sev s kombinacijo vezij CmB (z nisin-inducibilnim tetR) in AmA2 (konstitutivno izražanje IcnA). V tej skupnosti PrA zagotavlja nisin za PrB, ta pa dejansko oškoduje sev PrA z izločanjem IcnA. Ob kokultivaciji je sev PrA zrasel hitro, nato pa je njegova gostota postopoma upadla. PrB je v začetku rasel počasi, na koncu pa je v populaciji prevladal. V primeru monokultur je PrA rasel normalno, PrB pa sploh ni. Takšni rezultati potrjujejo razmerje plenjenja med tema sevoma .

Matematični model eno- in dvosmerne interakcije

Za kvantitativni opis opaženega vedenja so sestavili tudi matematični model za napoved dinamike skupnosti z dvema sevoma. Osnova modela so bile diferencialne enačbe s petimi spremenljivkami (dve za populaciji sevov, dve za medsebojno delujoče molekule, ki jih sevi proizvajajo in ena za hranila v kulturi). S prileganjem eksperimentalno določenih rezultatov so zaključili, da njihov model uspešno zajame in opiše značilnosti populacijske dinamike sinteznih konzorcijev.

Zasnova ekosistemov s tremi in štirimi sevi

Uporabnost ustvarjenih sistemov so pokazali še z oblikovanjem kompleksnih ekosistemov s predvidljivo dinamiko. Eksperimentalne podatke ustvarjenih in dobro okarakteriziranih konzorcijev so združili z matematičnimi modeli, da bi določili, ali je mogoče dinamiko in obnašanje kompleksnih skupnosti s tremi in štirimi sevi napovedati na osnovi enostavnih ekosistemov. Pri poskusih so ostali nespremenjeni vsi parametri konzorcijev z dvema sevoma, nov parameter je predstavljala le hitrost rasti novih sevov, ki predhodno še niso bili opisani. Iz rezultatov so zaključili, da takšni modeli odlično napovedo dinamiko sinteznih mikrobnih konzorcijev. Prav tako so ugotovili, da bi lahko kompleksne skupnosti vključevale tudi višje rede interakcij in da lahko vsaj za ekosisteme, ki primarno obsegajo parne interakcije, dinamika skupnosti izhaja iz vedenja enostavnejših konzorcijev.

Prostorska dinamika treh simetričnih ekosistemov

V naravnih habitatih se mikrobne skupnosti pogosto razprostirajo preko prostora, celične interakcije pa so podvržene difuziji medsebojno delujočih molekul. Z uporabo konzorcijev s simetričnimi interakcijami (nevtralizem, simbioza, tekmovanje) in računalniškega modela, ki je vključeval reakcijsko-difuzijsko enačbo, so v študiji simulirali razvoj prostorske strukture ekosistem. Rezultati so pokazali, da se sevi v odnosu nevtralizma razporedijo naključno, v simbiozi težijo h kolokalizaciji, v primeru tekmovanja pa se pojavijo homogeni vzorci. Na koncu so s poskusi potrdili, da so družbene interakcije gonilna sila v strukturiranih okoljih. Prostorski dejavniki, kot je razmak med kolonijami, pa delujejo kot dodatni regulatorji, ki uravnavajo nastanek vzorca.

Pomen sinteznih konzorcijev

Razumevanje mikrobiomov in njihov vpliv na zdravje ljudi, okolje in kmetijstvo, je v znanosti o mikrobiomu v ospredje postavilo manipuliranje in razumevanje kompleksnega mikrobnega ekosistema². Potencial mikrobnih konzorcijev so v preteklosti že prepoznali v biorudarstvu, bioremediaciji in bioprocesiranju⁸, vendar pa je njihovo aplikacijo omejevalo pomanjkljivo razumevanje interakcij v skupnostih. Študija, ki so jo izvedli Kong in sod., daje temeljni vpogled v strukturo, dinamiko in ekologijo interakcij mikrobnih vrst s karakterizacijo sinteznih konzorcijev, ki služijo kot dobri približki naravnih skupnosti. Skupina je z različnimi kombinacijami preoblikovanja biosinteznih poti ustvarila različne družbene interakcije in tako dosegla pričakovane odzive v ekosistemu. Takšen pristop v sintezni biologiji postavlja temelj za ustvarjanje kompleksov, delovanja skupnosti in možnost različnih aplikacij².

Viri in literatura

1. Faust, K. in Raes, J. Microbial interactions: From networks to models. Nature Reviews Microbiology 10, 538–550 (2012).

2. Kong, W., Meldgin, D. R., Collins, J. J. in Lu, T. Designing microbial consortia with defined social interactions. Nat. Chem. Biol. 14, 821–829 (2018).

3. Roell, G. W. et al. Engineering microbial consortia by division of labor. Microbial Cell Factories 18, (2019).

4. Großkopf, T. in Soyer, O. S. Synthetic microbial communities. Current Opinion in Microbiology 18, 72–77 (2014).

5. Tsoi, R., Dai, Z. in You, L. Emerging strategies for engineering microbial communities. Biotechnology Advances 37, (2019).

6. Xia, P. F., Ling, H., Foo, J. L. in Chang, M. W. Synthetic genetic circuits for programmable biological functionalities. Biotechnology Advances 37, 107393 (2019).

7. Kong, W. in Lu, T. Cloning and optimization of a nisin biosynthesis pathway for bacteriocin harvest. ACS Synth. Biol. 3, 439–445 (2014).

8. Shong, J., Jimenez Diaz, M. R. in Collins, C. H. Towards synthetic microbial consortia for bioprocessing. Current Opinion in Biotechnology 23, 798–802 (2012).