Сообщества кишечных бактерий переключаются между разными равновесными состояниями

Микробные сообщества кишечника считаются устойчивыми, но резкие перестройки их структуры после стресса давно интригуют исследователей. Почему одно и то же множество бактерий может приходить к разным равновесным конфигурациям — альтернативным стабильным состояниям? И что именно запускает такие резкие переходы? Авторы статьи в Nature Communications смоделировали кишечный микробиом in vitro и in silico и проследили, как именно кратковременные воздействия среды могут «переключать» устойчивое состояние сообщества. Изученный ими феномен носит название мультистабильность. 

Ученые собрали синтетическое сообщество из трех репрезентативных видов кишечных бактерий — Blautia hydrogenotrophica, Bacteroides thetaiotaomicron и Roseburia intestinalis. Для каждого вида характерны свои особенности метаболизма: например, B. hydrogenotrophica потребляет источники углерода последовательно (сначала трегалозу, затем глюкозу), B. thetaiotaomicron чувствительна к падению pH, а R. intestinalis переключается между быстрой и медленной фазами роста. Исследователи подробно охарактеризовали эти стратегии с помощью секвенирования РНК, которое подтвердило экспрессию ферментов, и метаболомики, а затем построили математическую модель, описывающую, как жизнедеятельность отдельных штаммов влияет на химию среды и наоборот.

Модель предсказала, что ключевым механизмом мультистабильности служит переключение фенотипов внутри одного и того же вида, например, переход B. hydrogenotrophica от потребления трегалозы к потреблению глюкозы. Такие сдвиги меняют ее конкурентное преимущество и запускают перестройки в сообществе. Небольшое изменение pH или скорости притока свежего питательного раствора приводило к резким скачкам в составе бактерий. При этом эффект сохранялся даже после того, как условия возвращали в исходные — сообщество «помнило» предыдущие воздействия, демонстрируя гистерезис.

Чтобы детальнее изучить взаимодействия среды и бактериального сообщества, исследователи провели серию экспериментов в мини-биореакторах, варьируя условия в них. Они выявили два устойчивых состояния: одно, в котором преобладают B. thetaiotaomicron и B. hydrogenotrophica, а R. intestinalis практически полностью вытеснена, и другое, в котором кодоминируют B. thetaiotaomicron и R. intestinalis, а численность B. hydrogenotrophica низка. 

Остановка подачи среды, богатой трегалозой, приводила сообщество в первое из этих состояний, причем B. hydrogenotrophica переключалась на фенотип потребления глюкозы, подавляя R. intestinalis, для которой глюкоза служит единственным источником углерода. Подкисление среды до pH около 4,8 ингибировало рост B. thetaiotaomicron, и после восстановления нормальных условий доминировать начинала R. intestinalis, а доля B. hydrogenotrophica оставалась низкой. Когда систему сперва подкисляли, а затем прекращали подачу среды, сообщества разделялись на три альтернативных устойчивых состояния: возврат к исходному составу с низкой численностью B. hydrogenotrophica, равновесие всех трех видов или доминирование B. thetaiotaomicron. При этом исходные условия выращивания были одинаковы: различия возникали именно из-за кратковременных изменений и работы внутренних метаболических переключателей.

Таким образом, даже небольшие изменения в окружающей среде могут индуцировать долговременные перестройки бактериального сообщества, если бактерии обладают несколькими метаболическими режимами. Это открытие важно не только для понимания вариативности кишечной микробиоты у разных людей, но и для подбора терапии — кратковременные воздействия (диета, лекарства или изменение pH) могут переводить микробиомы в новые устойчивые состояния. Работа демонстрирует, что фенотипическая гибкость — это мощный и недооцененный фактор в динамике кишечных сообществ.

Почвенные бактерии замедляют деление, чтобы выжить в пустыне