Út az egyes sejtektől a közösségig: baktériumok a csipen

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Út az egyes sejtektől a közösségig: baktériumok a csipen"

Gyöngyi Bartané
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Út az egyes sejtektől a közösségig: baktériumok a csipen Galajda Péter Biofizikai Intézet Szegedi Biológiai Központ

2 Az egyének és a közösség

3 Az egyének és a közösség? kölcsönhatás egyének (m!köd" strukturált) közösség Kölcsönhatás - az egyének között / a környezettel - közvetlen / közvetett - biológiai / fizikai

4 Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA

5 Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA

6 Úszó Escherichia coli - véletlen bolyongás Howard C. Berg csoportja:

7 Úszó Escherichia coli - kölcsönhatás fallal!in! out

8 Úszó Escherichia coli - aszimmetrikus akadályok

9 Úszó Escherichia coli - aszimmetrikus akadályok 9

10 Úszó Escherichia coli - tetszőleges tervezett mintázatok

11 Úszó Escherichia coli - tetszőleges tervezett mintázatok

12 Úszó baktériumok - hidrodinamikai kölcsönhatások v v F v F F v F

13 Korrelált úszómozgás Bacillus subtilis 10 µm

14 Bacillus subtilis Correlated motion: flocking 100 µm

15 Korrelált úszómozgás 10 µm Bacillus subtilis particle image velocimetry

16 Korrelált úszómozgás mikroszkopikus kamrában Escherichia coli 100 µm 100 µm

17 Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA

18 Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés Vibrio harveyi, Vibrio fischeri Globális génreguláció

19 Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés E. coli 100 µm kemoattraktáns koncentráció eloszlása - szimuláció

20 Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés E. coli Keller-Segel equations time ": cell density c: chemoattractant concentration f: food concentration #: chemotactic coefficient $: growth rate %: food conversion rate &: food consumption rate D: diffusion constant Park et al., PNAS (2003) 100(24): space

21 Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés 100 µm Dictyostelium discoideum

22 Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA 22

23 Fragmentált ( foltos ) szerkezet! él"helyek Hegyi juh (Ovis canadensis), Dél-Kolorádó Bleich et. al., 1990 Conservation Biology 4:

Szilícium mikrofluidikai csip, 85 kamra lineárisan elrendezve (kamraméret:

24 HOMOGÉN KÖRNYEZET STRUKTURÁLT (FRAGMENTÁLT) KÖRNYEZET Erlenmeyer lombik, 400ml kultúra in LB tápoldat, rázó inkubátorban. Szilícium mikrofluidikai csip, 85 kamra lineárisan elrendezve (kamraméret: 100µmX100µmX10µm), 50µm hosszú és 5µm széles csatornákkal összekötve. E. coli GASP+WT globális kölcsönhatások lokális kölcsönhatások

25 E. coli GASP (Growth Advantage in Stationary Phase) mutáns Növekedési görbe GASP mutánsok jelennek meg a stacionárius fázisban log (CFU/ml) elapsed time példa: rpos mutáns S. E. Finkel, Nature Reviews Microbiology 4, (February 2006)

26 Tiszta WT és mutáns kultúrák lombikban mut WT

27 Vegyes kultúrák lombikban

28 Vegyes kultúrák lombikban - mutáns frakció

29 Mikrofluidikai csip: strukturált (fragmentált) környezet sematikus rajz 85 kamra (micro habitat patches, MHP) MHP méret: 100µm X 100µm X 10µm. SEM kép Összeköt" csatornák: 50µm X 5µm X 10µm fluoreszcens sejtek a csipben

30 Kymográfok: fluoreszcencia intenzitás, mutáns frakció (p d ) mutáns kompetitív el"nye (dp d /dt) 0 time (h) dp d /dt p d 74 1 MHP number 85 1 MHP number 85 1 MHP number 85

31 Mutáns hányad lombikban és csipben chip flask

32 Játékelmélet: fogolydilemma STRATÉGIÁK C: kooperáció D: csalás (defection) C 2. játékos D NYERESÉGEK (payoff) Reward Sucker s payoff Temptation Punishment 1. játékos C D R R T S S T P P S < P < R < T

33 FOGOLYDILEMMA D,D a fogolydilemma egyensúlyi szituációja Közlegel" tragédiája - A jutalom egyes játékosoknál koncentrálódik, de a költségeken mindenki osztozik. (lokális döntések - globális következmények) - Önző viselkedést motivál: Konfliktus az egyéni és a közösségi érdekek közt - Hosszútávon az erőforrások kimerülnek, mindenki szenved a következményektől Mikor van a kooperátoroknak esélye?

Négy játéktípus Szarvasvadászat S<P<T<R C D

34 Négy játéktípus Szarvasvadászat S<P<T<R C D Fogolydilemma S<P<R<T C R S P<S<T<R Harmónia játék D T P P<S<R<T Héja és galamb játék Images from: classes.dma.ucla.edu/.../ eric/ps2/images.html, Britannica Online Encyclopedia

35 Csalás és kooperáció E. coli baktériumoknál! A vad típus kooperátornak tekinthet"! A GASP mutáns csalónak tekinthet"! Vegyes kultúrákban a mutánsok kerülnek dominanciája

Az E. coli játéka A nyereség mátrix elemei per capita növekedési ráta S: kooperátor növekedési ráta csaló többség esetén P: csaló növekedési ráta csaló többség esetén R: kooperátor

36 Az E. coli játéka A nyereség mátrix elemei per capita növekedési ráta S: kooperátor növekedési ráta csaló többség esetén P: csaló növekedési ráta csaló többség esetén R: kooperátor növekedési ráta kooperátor többség esetén T: csaló növekedési ráta kooperátor többség esetén csaló hányad: p d =N d / (N d +N c ) Fogolydilemma: S < P Héja és galamb játék: P < S R < T R < T

37 A játék jellege id"ben változik Lombik Csip t=1h FD? t=7h FD t=32h FD t=12h HG dp d /dt t=64h FD? dp d /dt t=17h? t=80h FD t=22h FD? t=90h FD t=48h HG p d p d

38 A játék jellege id"ben változik SzV FD 90 SzV FD time (h) 45 HJ HG 0 HJ HG

39 A játék id"átlaga dp d /dt PD HD p d

40 Térbeli heterogenitás a csipben p d

41 A csalók és a kooperátorok térbeli eloszlásának Pearson korrelációja

42 Térbeli-id"beli mintázatok 0 kolonizáció hullám vándorlás id! (h) kihalás rajzás 74 1 kamra sorszám 85

43 Összefoglalás A sejtek egymással és a környezettel való kölcsönhatásai populációszerkezet kialakulásához vezetnek. - Szilárd felülettel való hidrodinamikai kölcsönhatás befolyásolja az úszó baktériumok térbeli eloszlását (manipuláció lehet"sége) - Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai korrelált mozgást eredményezhetnek. Mikrostruktúrákkal ezek mintázata és dinamikája manipulálható - A sejtek közti kommunikáció (quorum érzékelés) befolyásolja a sejtek mozgását. A jelenség mikrofluidiai rendszerekkel szabályozható/vizsgálható. - A sejtek egymással és a környezettel való bonyolult kölcsönhatásai (ökológiai hatások) jelet"sen befolyásolják a fajok közti versengést. A mesterséges mikroökoszisztémák jó modellrendszerek lehetnek ezek tanulmányozására. - A környezet szerkezete fontos a kooperációs stratégiák fenntarthatósága szempontjából is.

44 Munkatársak: Juan Keymer, TU Delft (hidrodinamika, quorum érzékelés, versengés) Cees Dekker, TU Delft (versengés) Rutger Woolthuis, Felix Hol Robert Austin, Princeton University (hidrodinamika, quorum érzékelés) 44

Hasonló dokumentumok

A méret igenis lényeg: mikrofluidika a biológiában

SZTE Eötvös Loránd Kollégium Biológia Műhelye: Hálózatok a biológiában VI. szemeszter, 2010/2011-es tanév, II. félév A méret igenis lényeg: mikrofluidika a biológiában Galajda Péter 2011.02.23-i előadása