Un modelo matemático creado por investigadores de la Universidad de Illinois podría ayudar a los científicos a comprender mejor una característica intrigante de las comunidades microbianas:su capacidad para lograr estabilidad a pesar de ser tan diversas.

Las comunidades microbianas son grupos de microorganismos que existen en una variedad de ambientes:en el suelo, en los océanos, y en nuestros cuerpos. Aunque estas comunidades son complejas y diversas, son capaces de formar ecosistemas estables.

La estabilidad se puede definir como qué tan bien la comunidad maneja el cambio. Las comunidades estables pueden resistir un cambio en el suministro de nutrientes o la invasión de una nueva especie. Las comunidades menos estables son propensas a cambiar ante estas interrupciones.

Sergei Maslov, un becario de la facultad de Bliss, profesor de bioingeniería, y miembro de la facultad en el tema de Biocomplejidad en el Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, y Akshit Goyal, un académico visitante del Centro Simons para el Estudio de Máquinas Vivas en NCBS, en Bangalore, India, han colaborado previamente en un modelo predictivo para medir la estabilidad de la comunidad microbiana basado en un concepto económico llamado el "problema del matrimonio estable" como se publicó en El diario ISME . Recientemente crearon un modelo matemático para comprender mejor cómo funcionan y mantienen la estabilidad las comunidades microbianas.

"Tienes cientos, si no miles, de especies coexistiendo en el mismo volumen pequeño, ", Dijo Maslov." Es casi como una selva tropical en miniatura ".

Su estudio, publicado en Cartas de revisión física , fue reconocida como la elección de un editor en la revista y estuvo acompañada de un popular artículo de APS Focus.

Su trabajo aborda tres aspectos característicos de las comunidades microbianas. La primera es la diversidad, la cantidad de especies que conviven en la comunidad. El segundo es la estabilidad, y el tercero es la reproducibilidad, que es la frecuencia con la que una especie en particular estará presente en una comunidad.

Maslov vuelve a comparar este aspecto con una selva tropical. Una selva tropical en América del Sur y una selva tropical en África pueden parecer similares, pero cada uno contiene diferentes especies. Tiene sentido que este sea el caso:es poco probable que una especie nativa de África migre a América del Sur.

"En las comunidades microbianas, no podemos hacer este argumento, "Maslov dijo." Todos los microbios, con bastante frecuencia, son transportados de un lugar a otro, y, sin embargo, puede haber diferentes conjuntos de especies en parcelas de suelo cercanas ".

Su modelo consideró esto para tratar de comprender qué especies siempre se comparten universalmente en las comunidades microbianas, y qué especies son únicas.

Descubrieron que un ingrediente clave en su modelo era un proceso conocido como alimentación cruzada. Los microbios consumen nutrientes y luego excretan subproductos metabólicos, que regresan al espacio compartido de la comunidad microbiana y son consumidos por otros microbios.

"Lo que vemos en nuestro modelo es la aparición de múltiples niveles de consumo de un nutriente, ", Dijo Maslov." Algunos microbios están en el nivel superior, donde puedan acceder directamente al nutriente proporcionado externamente. Algunos otros microbios se especializan en lo que sea un producto de desecho de este primer microbio, etcétera."

Maslov y Goyal querían ver cuántos niveles de consumo podían coexistir en una comunidad, y descubrió que depende de qué tan rápido crezcan los microbios; el crecimiento lento promueve una mayor diversidad y un mayor número de niveles.

Otro factor importante en la capacidad de funcionamiento de la comunidad es la madurez del ecosistema. Los ecosistemas maduros contienen más especies, y estas especies son más eficientes en la utilización de sus recursos. Utilizaron su modelo para caracterizar cuánto tiempo se necesita para describir una comunidad como un ecosistema maduro.

"Estamos tratando de comprender qué hace que determinados estados sean estables, y cuántos estados estables de este tipo existen, ", Dijo Maslov." ¿Cuál es el rango de perturbaciones que un estado puede tolerar antes de cambiarlo a otra cosa o colapsar juntos? "

Este trabajo tiene implicaciones para ecosistemas más grandes en todo el mundo.

"Obviamente queremos entender la estabilidad desde el punto de vista de que estamos perturbando el medio ambiente de una manera sin precedentes, Maslov dijo:"Queremos entender hasta dónde podemos llegar antes de que todo se derrumbe".

Si los científicos pueden entender esto mejor, algún día podrán aprender a controlar los ecosistemas microbianos. Por ejemplo, un microbioma del suelo tal vez podría cambiarse a un estado diferente agregando microbios o nutrientes. Debido a que los sistemas son tan complejos y diversos, esto es actualmente imposible de lograr.

"Es por eso que nuestro santo grial, en este trabajo y en el futuro, es poder controlar de manera predecible y confiable las transiciones del ecosistema desde el estado en el que se encuentra al estado en el que queremos que esté, ", Dijo Maslov." Queremos poder hacerlo sin tener un colapso ".