Развитие микробных сообществ - сложное разномасштабное явление, имеющее широкие биомедицинские и экологические последствия.
То, как биологические и физические процессы определяют возникающие пространственные структуры в микробных сообществах, остается малоизученным из-за отсутствия одновременных измерений экспрессии генов и поведения клеток в пространстве и времени.
Динамически развивающиеся микробные сообщества с пространственной структурой встречаются в природе повсеместно - от кишечной микробиоты человека до почвенных биопленок и бактериальных популяций, распространяющихся по влажным поверхностям. Пространственно-временные закономерности в микробных сообществах могут проявляться в расположении генотипов, в фенотипических субпопуляциях одного и того же генотипа и в формирующихся свойствах сообщества, таких как градиенты ресурсов, биофизические свойства и устойчивость к стрессу.
Формирование паттернов в микробных сообществах и других многоклеточных системах представляет собой сложный многомерный процесс, на который влияют рост, деление, дифференциация, подвижность клеток, а также многие виды химических и физических взаимодействий между клетками. Все эти факторы могут изменяться в пространстве и времени в связи с различной доступностью ресурсов в развивающихся сообществах. Даже для простейших микробных сообществ, таких как одновидовые бактериальные сообщества, количество и пространственно-временная изменчивость параметров, влияющих на развитие сообщества, приводят к такой степени сложности, что трудно разделить, какие внутриклеточные процессы и клеточные взаимодействия определяют возникающую пространственную структуру сообщества.
Для понимания того, как возникает пространственная структура в процессе развития бактериального сообщества, необходимы пространственно-временные измерения внутриклеточных состояний, клеточных фенотипов и многоклеточных структур. В то время как достижения флуоресцентной микроскопии и все более точные инструменты анализа изображений позволили одновременно отслеживать отдельные клетки и общую структуру сообщества в пространстве и времени, методологии пространственно-временных измерений внутриклеточных состояний, таких как транскриптомы, протеомы или метаболомы, только начинают разрабатываться.
Недавно методы флуоресцентной гибридизации in situ с последовательными раундами мечения и визуализации позволили одновременно определять ~100 уровней транскриптов в фиксированных бактериальных сообществах, а пространственная масс-спектрометрия и рамановская спектроскопия позволили измерять метаболиты в сообществах с разрешением в одну клетку. Однако до сих пор отсутствуют методы пространственно-временной омики для измерений в развивающихся сообществах в реальном времени. Кроме того, необходимы подходящие концепции анализа данных для интеграции различных типов пространственно-временных данных, чтобы связать уровень экспрессии генов с клеточными и многоклеточными фенотипами.
Используя развитие популяции Bacillus subtilis в качестве модельной системы возникновения пространственной структуры в многоклеточных сообществах, мы разработали экспериментальную платформу для измерения пространственно-временных транскриптомов живых сообществ с высоким геномным охватом и одновременного получения микроскопических измерений клеточных фенотипов, многоклеточных фенотипов и развития всей популяции. Интегрируя эти различные уровни биологической и биофизической информации, мы систематически выявляли пространственно-временные изменения процессов и свойств сообщества, а также идентифицировали различные метаболические субпопуляции внутри этого сообщества. Пространственно-временные измерения метаболитов, выделяемых и потребляемых различными субпопуляциями, позволили обнаружить пространственно-временные перекрестные пищевые взаимодействия в данном сообществе.
В итоге мы получили результаты одновременного измерения пространственного транскриптома с плотной выборкой и биофизических свойств развивающегося микробного сообщества, полученные с помощью микроскопии. Сопоставляя паттерны экспрессии генов и фенотипы, мы обнаружили удивительное несоответствие между экспрессией генов подвижности и скоростью клеток, что указывает на существенное влияние механизмов, выходящих за рамки транскрипционной регуляции. Интегрируя эти данные с измерениями пространственно-временного метаболома, мы обнаружили механизм пространственно-временного перекрестного питания, способствующий развитию сообщества: во время миграции предыдущие поколения депонируют метаболиты, которые потребляются последующими поколениями, роящимися в том же месте.
Эти результаты свидетельствуют о важности пространственно-временных эффектов при возникновении фенотипических субпопуляций и их взаимодействии в бактериальных сообществах.
