Bacteriile care migrează împreună pot coexista cu virusurile care le infectează, arată un studiu
Bacteriile și virusurile care le infectează — numite bacteriofagi — coexistă în sol, în oceane și în organismele vii. Multă vreme s-a considerat că această coexistență este o versiune microscopică a unei curse evolutive: parazitul și gazda se adaptează continuu unul la celălalt pentru a supraviețui. Un studiu comun al cercetătorilor de la University of Maryland și University of Exeter arată însă că există și alte căi spre coexistență, fără adaptări coevolutive. Rezultatele au fost publicate în revista Science Advances.
Cercetătorii au constatat că, atunci când bacteriile se deplasează împreună pentru a găsi nutrienți, mișcarea lor colectivă le ajută să rămână înaintea fagilor. Migrarea colectivă are însă și o vulnerabilitate neașteptată: permite fagilor să infecteze o parte a celulelor din apropierea marginii din față a valului, în timp ce restul rămân în afara razei de acțiune. Rezultatul este o co-migrare continuă a parazitului și a gazdei, chiar în absența adaptărilor coevolutive.
„Acest mecanism mediat de migrare arată cum virusurile și gazdele lor microbiene pot coexista în absența curselor înarmărilor”, a declarat Joshua Weitz, profesor de biologie la University of Maryland și coautor principal al studiului. Potrivit acestuia, coexistența se bazează pe migrarea colectivă a bacteriilor, care aduce continuu fagii aproape de marginea din față a valului, astfel încât nici bacteriile, nici fagii nu reușesc să îl depășească pe celălalt. „Într-un anumit sens, migrarea și infecția generează un armistițiu între parazit și gazdă”, a explicat el.
Un factor-cheie al fenomenului este chemotaxia, adică deplasarea bacteriilor ca răspuns la modificările concentrațiilor de substanțe chimice din mediu. Pe măsură ce bacteriile consumă o resursă de nutrienți, schimbarea chimică rezultată le determină să înainteze pentru a găsi hrană — creând un „val chemotactic”. Pentru studiu, cercetătorii au folosit plăci de agar cu o suprafață de peste 50 de ori mai mare decât a cutiilor de cultură obișnuite, au introdus bacterii și fagii lor și au urmărit migrarea bacteriilor prin imagistică time-lapse.
„Studiul a pornit de la o întrebare: ce s-ar întâmpla dacă un număr mic de fagi ar fi adăugați în fața unui val de bacterii în migrare?”, a spus Weitz. „Ar prelua fagii controlul? Ar putea bacteriile să îi depășească? Ne așteptam să stabilim condițiile în care se produce una dintre aceste variante — și atât.”
Spre surprinderea oamenilor de știință, fagii au format o cale pe mijlocul coloniei bacteriene. „Colaboratorii noștri de la University of Exeter au observat ceea ce părea o autostradă litică a infecției, care se deplasa cu viteza migrării colective, dar rămânea mereu la mică distanță de marginea din față a bacteriilor”, a relatat Weitz. „Fagii ucideau suficienți agenți patogeni pentru a înainta, dar nu îndeajuns pentru a depăși populația bacteriană.” Valul transporta fagii mult mai departe și mai repede decât ar fi avansat aceștia în izolare.
Pentru a investiga mecanismele din spatele acestui fenomen neașteptat, cercetătorii au dezvoltat un model matematic care a reprodus cu precizie dinamica observată în experimente. „Modelul nostru a arătat clar că echilibrul dintre uciderea virală și chemotaxia bacteriană produce o propagare stabilă a infecțiilor fagice, transportate de bacteriile în migrare pe distanțe remarcabile, în diferite condiții și pentru diferite perechi fag-bacterie”, a notat Jacopo Marchi, autor principal al lucrării și cercetător postdoctoral în biologie la University of Maryland. Modelul a fost esențial, a spus el, pentru a confirma că chemotaxia, care nu putea fi modificată experimental, este necesară pentru funcționarea sistemului mediat de mișcare.
Autorii subliniază că sistemul nu este inevitabil: unele ajustări ale parametrilor-cheie simulate pe calculator — de exemplu, cantitatea de nutrienți disponibilă bacteriilor — au permis bacteriilor să scape complet de fagi sau au provocat extincția locală a populației gazdă. Coexistența mediată de migrare apare în diverse sisteme, inclusiv la fagii care infectează agenți patogeni bacterieni relevanți clinic, precum Escherichia coli și Pseudomonas aeruginosa.
Înțelegerea acestui mecanism reprezintă un pas spre tratarea infecțiilor persistente. „În cazul în care un agent patogen bacterian colonizează o suprafață, fie o proteză, fie o rană, este esențial să înțelegem mișcarea microbiană”, a declarat Weitz. „În acest caz, migrarea mediază atât potențialul, cât și limitele eliminării agenților patogeni bacterieni cu ajutorul fagilor și sugerează noi direcții pentru explorarea dinamicii coexistenței dincolo de lumea baloanelor agitate.”
