When is microbial cross-feeding evolutionarily stable?
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Cross-feeding, a phenomenon in which organisms share metabolites, is frequently observed in microbial communities across the natural world. One of the most common forms is waste-product cross-feeding, a unidirectional interaction in which the waste products of one microbe support the growth of another. Despite its ubiquity, it is not well-understood why waste-product cross-feeding persists when a single organism could in principle perform both the producer and consumer role. To address this question, we first analyze cross-feeding evolution in a minimal model of microbial metabolism. The model describes multi-step extraction of energy from a substrate in a simple but thermodynamically correct formulation. Surprisingly, we find that cross-feeding is never evolutionarily stable in this model. By analyzing models with more complex growth functions, we identify a novel mechanism for the evolutionary stability of waste-product cross-feeding, namely, generalized intracellular metabolite toxicity. Such toxicity arises because, in excess, the same intracellular metabolites that cells require for metabolism can be detrimental to growth (e.g., due to osmotic stress). We show that some but not all forms of such toxicity can lead to evolutionarily stable consortia of microbes that cross-feed waste products. This stability results from the potential of such consortia to divide the burden of toxic metabolites among a larger population, allowing them to perform their collective metabolism more efficiently than non-cross-feeders. More generally, we predict that growth penalties that scale nonlinearly with intracellular metabolite levels promote cross-feeding. We find that this mechanism for cross-feeding evolutionary stability implies nontrivial population dynamics, such as a discontinuity in population biomass at the onset of cross-feeding. Significance statement The chemical reactions performed by microbes have large impacts on our world: from nitrification within the nitrogen cycle to the breakdown of fiber in animal digestive tracts. A striking commonality in many of these processes is that the chemical reactions are a collective effort, with the complete reaction subdivided between many microbes. This phenomenon is known as cross-feeding, and its origins are poorly understood. Understanding the eco-evolutionary forces promoting cross-feeding have the potential to not only enhance our understanding of natural ecosystems, but also improve our ability to engineer such distributed reactions in biotechnology. Here, we develop mathematical theory for the evolution of a common type of cross-feeding and provide predictions for what metabolic and environmental conditions promote this behavior.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,006 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,002 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».