Út az egyes sejtektől a közösségig: baktériumok a csipen Galajda Péter Biofizikai Intézet Szegedi Biológiai Központ
Az egyének és a közösség
Az egyének és a közösség? kölcsönhatás egyének (m!köd" strukturált) közösség Kölcsönhatás - az egyének között / a környezettel - közvetlen / közvetett - biológiai / fizikai
Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA
Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA
Úszó Escherichia coli - véletlen bolyongás Howard C. Berg csoportja: http://www.rowland.harvard.edu/labs/bacteria/index.html
Úszó Escherichia coli - kölcsönhatás fallal!in! out
Úszó Escherichia coli - aszimmetrikus akadályok
Úszó Escherichia coli - aszimmetrikus akadályok 9
Úszó Escherichia coli - tetszőleges tervezett mintázatok
Úszó Escherichia coli - tetszőleges tervezett mintázatok
Úszó baktériumok - hidrodinamikai kölcsönhatások v v F v F F v F
Korrelált úszómozgás Bacillus subtilis 10 µm
Bacillus subtilis Correlated motion: flocking 100 µm
Korrelált úszómozgás 10 µm Bacillus subtilis particle image velocimetry
Korrelált úszómozgás mikroszkopikus kamrában Escherichia coli 100 µm 100 µm
Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA
Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés Vibrio harveyi, Vibrio fischeri Globális génreguláció
Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés E. coli 100 µm kemoattraktáns koncentráció eloszlása - szimuláció
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):13910-5 space
Sejtek közti kommunikáció - quorum érzékelés 100 µm Dictyostelium discoideum
Különböző kölcsönhatások - példák 1.) Úszó baktériumok hidrodinamikai kölcsönhatásai 2.) Sejtek közti kommunikáció: Quorum érzékelés 3.) Ökológiai kölcsönhatások: baktériumok versengése Kísérleti módszer: MIKROFLUIDIKA 22
Fragmentált ( foltos ) szerkezet! él"helyek Hegyi juh (Ovis canadensis), Dél-Kolorádó Bleich et. al., 1990 Conservation Biology 4:383-390
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
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, 113-120 (February 2006)
Tiszta WT és mutáns kultúrák lombikban mut WT
Vegyes kultúrák lombikban
Vegyes kultúrák lombikban - mutáns frakció
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
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
Mutáns hányad lombikban és csipben chip flask
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
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 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: http://markrich.wordpress.com, http://videolectures.net/ccss09_helbing_coac/, classes.dma.ucla.edu/.../ eric/ps2/images.html, Britannica Online Encyclopedia
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 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
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
A játék jellege id"ben változik SzV FD 90 SzV FD time (h) 45 HJ HG 0 HJ HG
A játék id"átlaga dp d /dt PD HD p d
Térbeli heterogenitás a csipben p d
A csalók és a kooperátorok térbeli eloszlásának Pearson korrelációja
Térbeli-id"beli mintázatok 0 kolonizáció hullám vándorlás id! (h) kihalás rajzás 74 1 kamra sorszám 85
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.
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