Новая биологическая система воссоздает взаимоотношения "хищник - жертва"
 Флюоресцентная микрофотография взаимодейсвия хищник-жертва. Клетки хищников окрашены зеленым. Красные клетки - жертва. (Автор Хао Сонг) (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Совместно с коллегами из Калтека, Стэнфорда и медицинского института Говарда Хьюза, биоинженер из Дьюковского Университета вывел биологическую систему, используя генетически видоизмененные бактерии, которая, как он полагает, может дать новое понимание того, как уровень численности популяции жертв влияет на уровень популяции хищников, и наоборот.
Этот эксперимент является примером искусственной генной цепи, при котором ученые загрузили новую "программу" в бактерии, чтоб заставить их выполнять новые функции. Такие перепрограммированные бактерии могут найти широкое применение в медицине, экологии и вычислительной биологии. В этом дьюковском исследовании ученые переписали программу обычной кишечной палочки, чтобы создать взаимозависимую биосистему, состоящую из хищников и жертв.
Однако бактериальные хищники на самом деле не совсем поедают жертв. Обе популяции контролируют степень суицида каждой из них.
"Мы создали искусственную экосистему, состоящую из двух отличных друг от друга популяций кишечной палочки, каждая со своим особым набором программ и каждая со способностью оказывать влияние на существование другой", - сказал Лингчонг Ю, доцент биоинженерии при инженерном факультете и сотрудник Института геномных исследований и геномной политики при университете Дьюка. "Эта экосистема довольно похожа на традиционные взаимоотношения хищника и жертвы, наблюдаемые в природе, и может дать нам возможность изучить динамику взаимосвязи популяций с возможностью прогнозирования".
Результаты исследования Ю будут опубликованы 15 Апреля в журнале "Молекьюлар системс байолоджи". Исследование проводилось при поддержке Национального института здравоохранения США, Агентства перспективного планирования научно-исследовательских работ Министерства обороны США, медицинского института Говарда Хьюза и фонда Дэвида и Люсиль Паккард.
Эта область исследования, известная как синтетическая биология, появилась в научных кругах приблизительно в 2002 году, и с тех пор в создании многих систем было задействовано перепрограммирование обособленной бактерии. Существующая цепь уникальна тем, что две разные популяции перепрограммированных бактерий живут в одной и той же экосистеме и их выживание зависит друг от друга.
"Ключ к успеху такого типа цепи в способности двух популяций взаимодействовать друг с другом", - сказал Ю. "Мы создали бактерии, представляющие хищников и жертв, при этом у каждой есть способность выделять вещества в их общую экосистему, которые могут защитить или убить".
Главным в функционировании этой цепи является количество клеток хищников и жертв относительно друг друга в их контролируемой среде. Варьирование количества клеток каждого типа запускает активацию перепрограммированных генов, стимулируя выделение разных веществ.
В этой системе небольшое количество клеток-жертв в среде вызывает активацию гена "суицида" у клеток-хищников, приводя их к смерти. Однако, как только популяция клеток-жертв увеличивается, она выделяет в среду вещество, которое при достижении достаточно высокой концентрации стимулирует ген выработки "антидота" гену суицида у клеток-хищников. Это приводит к увеличению популяции клеток-хищников, что в свою очередь заставляет хищников вырабатывать другое вещество, которое проникает в клетку жертвы и активизирует ген-"убийцу", приводя к смерти клетки жертвы.
"Эта система очень напоминает мир природы, в котором одни виды, жертвы, страдают от увеличения популяции других видов, хищников", - сказал Ю. "И таким же образом хищникам на руку увеличение популяции жертв".
Эта цепь не совсем точное воспроизведение отношения хищник-жертва в природе, потому что клетка жертвы останавливает запрограммированный суицид хищника, вместо того, чтобы быть обедом, и обе популяции соревнуются за ту же "еду" в своих мирах. Тем не менее, Ю считает, что эта цепь пригодится для будущих биологических исследователей.
"Эта система предоставляет четкое отображение генетики и изменений в динамике популяции, что может пригодиться в будущих исследованиях влияния молекулярных взаимодействий на изменения популяции, что является предметом изучения экологии", - сказал Ю. "Существует буквально неограниченное количество способов изменить переменные в этой системе, чтобы детально изучить взаимосвязь среды, образа поведения генов и динамики популяции".
"Имея дополнительный контроль над смешиванием или расслоением разных популяций, мы должны быть способны программировать бактерии на воспроизведение эволюции и дифференциацию более сложных организмов", - сказал он.
Источники: