Computational study of the metabolic diversity of the bacterium Escherichia coli
Authors: Τζαμαλή Ελευθερία 
Published: January 2014

Η επιβίωση του ‘καλύτερου’ δεν είναι το μόνο πιθανό αποτέλεσμα στη διαδικασία της εξέλιξης. Εξελικτικά πειράματα σε βακτήρια έχουν δείξει πως ο πληθυσμός παρότι αναπτύσσεται σε ένα απλό, ομοιογενές περιβάλλον γρήγορα γίνεται και παραμένει πολυμορφικός. Επιπλέον, υποστηρίζεται ότι αυτή η πολυμορφία βασίζεται στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών πληθυσμών κατά τις οποίες ανταλλάσσονται χρήσιμα για την ανάπτυξη παράγωγα του μεταβολισμού (cross-feeding). Τόσο η ποικιλομορφία όσο και οι μεταβολικές αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξέλιξη ενός πληθυσμού βακτηρίων καθώς δυναμικά διαμορφώνουν το περιβάλλον ανάπτυξης επιτρέποντας την εξέλιξη νέων φαινοτύπων. Επιπλέον συνεργατικές συμπεριφορές με τη μορφή μεταβολικών αλληλεπιδράσεων μπορεί να οδηγήσουν έναν πληθυσμό σε καλύτερη προσαρμογή και καλύτερη αξιοποίηση του συγκεκριμένου περιβάλλοντος. Τα βακτήρια εμπλέκονται σε ποικίλες διεργασίες πάνω στον πλανήτη. Η ευρεία ποικιλομορφία τους και οι αλληλεπιδράσεις τους είναι αντικείμενο έρευνας σε περιοχές όπως η εξελικτική βιολογία, η οικολογία αλλά και η ανθρώπινη υγεία. Μέχρι στιγμής η ανάπτυξη των βακτηρίων σε επίπεδο όπου ο μεταβολισμός τους περιγράφεται με μεγάλη ακρίβεια (genome-scale) έχει μοντελοποιηθεί για πληθυσμούς όπου όλα τα κύτταρα είναι πανομοιότυπα. Προκειμένου να κατανοήσουμε τη μεταβολική ποικιλομορφία όπως αυτή εξελίσσεται σε ένα απλό περιβάλλον αλλά και τους ακριβείς μηχανισμούς που περιγράφουν τις μεταβολικές αλληλεπιδράσεις σε έναν ποικιλόμορφο πληθυσμό κατασκευάζουμε, σε αυτή την εργασία, ένα νέο μεταβολικό μοντέλο ικανό να περιγράψει ποικιλόμορφες κυτταρικές κοινωνίες καθώς αναπτύσσονται σε ένα κοινό περιβάλλον ανάπτυξης, ανταγωνίζονται για τα θρεπτικά συστατικά, διαμορφώνουν και αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Δείχθηκε αναλυτικά ότι μια κοινωνία ως σύνολο δεν μπορεί να είναι πιο αποδοτική από την απόδοση του καθενός μέλους της μεμονωμένα, αν το απλό περιβάλλον δε γίνει πιο σύνθετο όπως για παράδειγμα μέσω παραγώγων του μεταβολισμού και των μεταβολικών αλληλεπιδράσεων. Επιπρόσθετα με το μεταβολικό μοντέλο, ποσοτικοποιούμε και αναπαριστούμε γραφικά τη μεταβολική ποικιλομορφία γενετικά τροποποιημένων κυττάρων (diversity graph). Ο γράφος επιτρέπει τον προσδιορισμό μεταβολικά ποικιλόμορφων κυτταρικών κοινωνιών αποτελούμενων από κύτταρα με τη δυνατότητα να διαμορφώσουν διαφορετικά το περιβάλλον και να αλληλεπιδράσουν μεταβολικά. Οι ποικιλόμορφες κοινωνίες αντιστοιχούν στις κλίκες του γράφου. Διάφορες γραφο-θεωρητικές μετρικές εφαρμόζονται προκειμένου να καταλάβουμε τις ιδιότητες αυτής της αναπαράστασης αλλά και να συγκρίνουμε συνολικά τις μεταβολικές δυνατότητες του συστήματος κάτω από διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης. Η ανάπτυξη των διαφορετικών κοινωνιών προσομοιώθηκε και μελετήθηκε σε διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης αξιοποιώντας το προτεινόμενο μεταβολικό μοντέλο. Το βακτήριο E. coli αποτέλεσε τον οργανισμό προς μελέτη σε αυτή την εργασία. Επίσης, οι γενετικά τροποποιημένοι πληθυσμοί προέκυψαν μέσω διαγραφής ενός κάθε φορά γονιδίου εμπλεκόμενου στο μεταβολισμό. Η ποικιλομορφία μελετήθηκε κάτω από διαφορετικές συνθήκες αποτελούμενες από μία πηγή τροφής, πεπερασμένης ποσότητας. Παρατηρήθηκε ότι οι γενετικά τροποποιημένοι κυτταρικοί πληθυσμοί έχουν στην πλειοψηφία τους παρόμοιες μεταβολικές ιδιότητες αναφορικά με την δυνατότητα παραγωγής παραγώγων του μεταβολισμού τους. Η παρατήρηση αυτή επιτρέπει το γρήγορο προσδιορισμό όλων των πιθανών κλικών-κοινωνιών του κάθε γράφου που κατασκευάστηκε για τις διαφορετικές συνθήκες ανάπτυξης. Η γραφο-θεωρητική ανάλυση επίσης υποδεικνύει ότι οι κοινωνίες που μπορούν να εξελιχθούν είναι πιο πιθανό να αποτελούνται από πληθυσμούς ειδικά προσαρμοσμένους στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Οι αναλύσεις των κοινωνιών όπως προσομοιώθηκαν με βάση το προτεινόμενο μεταβολικό μοντέλο έδειξαν ότι οι μεταβολικές αλληλεπιδράσεις αποτελούν την αναγκαία συνθήκη προκειμένου μια κοινωνία κάτω από συνθήκες ανταγωνισμού των διαθέσιμων πηγών τροφής, να αξιοποιεί το συγκεκριμένο περιβάλλον πιο αποτελεσματικά από ότι ο κάθε διαφορετικός πληθυσμός μόνος του. Η ύπαρξη τέτοιων αποδοτικών κοινωνιών υποδεικνύει ότι τα μεταβολικά μονοπάτια είναι συνδεδεμένα κατά τέτοιον τρόπο που υπό συγκεκριμένες συνθήκες ανάπτυξης δεν επιτρέπουν την ύπαρξη ενός κατάλληλα προσαρμοσμένου πληθυσμού ικανού να αξιοποιεί βέλτιστα το περιβάλλον του. Οι κοινωνίες μπορεί να είναι αποδοτικές ακόμα και αν δεν αλληλεπιδρούν ανά δύο όλοι οι διαφορετικοί πληθυσμοί, το οποίο αποδεικνύει τη σημασία της διερεύνησης της διαφορετικότητας ανά ομάδες. Παρατηρήθηκαν επίσης περιπτώσεις όπου οι μεταβολικές αλληλεπιδράσεις είχαν άμεσες συνέπειες στο ρυθμό ανάπτυξης των πληθυσμών που συμμετείχαν σε αυτές. Καθώς η πολυπλοκότητα αυξάνεται και το περιβάλλον γίνεται πιο σύνθετο από το απλό περιβάλλον μίας πηγής τροφής, πεπερασμένης ποσότητας που μελετάται εδώ, είναι πιθανό η διαφορετικότητα να είναι πολύ πιο ευεργετική για τους πληθυσμούς που συμμετέχουν. Η μέθοδος που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία έχει εφαρμογές στη βιοτεχνολογία, στην ανθρώπινη υγεία για την κατασκευή αντιβιοτικών αλλά και στην οικολογία γενικότερα μικροβιακών πληθυσμών καθώς αναπτύσσονται είτε στο φυσικό τους περιβάλλον είτε σε τεχνητά περιβάλλοντα.