Resultater. Modstandsdygtighed er et vigtigt begreb i disse dage, i alt fra menneskelige samfund, der genopretter orden efter naturkatastrofer, til mikrobielle samfund, der kommer sig efter et kemisk udslip. Der er imidlertid ikke enighed om, hvordan modstandsdygtighed skal defineres og måles. Et videnskabeligt organ har identificeret 47 definitioner af modstandsdygtighed, der anvendes inden for forskellige områder, herunder ingeniørvidenskab, økologi, sociologi, økonomi og psykologi. Alligevel er forståelsen af modstandsdygtighed i mikrobielle samfund en afgørende komponent for at kunne udvikle dem til bioteknologier eller forudsige, hvordan de vil reagere på et miljø under forandring. Disse samfund skal være i stand til hurtigt at komme sig efter en miljøændring, så deres funktion er stabil over tid.
Nu har en gruppe af beregningsbiologer og mikrobiologer fra Pacific Northwest National Laboratory foreslået en måde at definere modstandsdygtighed i mikrobielle samfund på, som forener økologer og ingeniører. Deres indsats blev for nylig præsenteret i Frontiers in Microbiology.
“Vi mener, at modstandsdygtighed i mikrobielle samfund bedst defineres som hastigheden af genopretning af en given funktion af interesse for forskeren,” siger Dr. Stephen Lindemann, den PNNL-mikrobiolog, der ledede holdet. “Ved at fokusere på systemets grundlæggende egenskaber som reaktion på en specifik ændring i miljøet kan vi ikke kun sammenligne resiliens af en funktion mellem samfund, men også opnå en dybere forståelse af samfundets egenskaber. Ved hjælp af denne definition foreslår vi, at modstandsdygtighed kommer indefra et mikrobielt samfund – uanset hvilket miljø det lever i.”
Hvorfor det er vigtigt. De er måske bittesmå, men mikroorganismer overstiger tilsammen massen af alle andre planter og dyr på planeten. De styrer kulstof- og energikredsløbet på planeten, og forskerne er begyndt at sætte pris på deres rolle i udformningen af menneskers sundhed og fysiologi. Disse små vidundere undersøges også som et potentielt middel til at indfange vedvarende energi. Forståelse af de processer, der styrer, hvordan mikrobielle samfund reagerer på ændringer i deres miljø, er afgørende for økologer, der er optaget af at forudsige virkningerne på økosystemerne af klimaændringer eller vulkanudbrud, og for ingeniører, der designer samfund til stabile bioteknologiske processer.
“For at designe det bedste system må vi udvikle rationelle metoder til at kvantificere mikrobielle fællesskabers modstandsdygtighed og være i stand til at forudsige, at vi nærmer os tipping points,” sagde Lindemann.
Metoder. I deres søgen efter et integreret koncept for modstandsdygtighed, der kan anvendes på alle mikrobielle samfund, sammenlignede forskerne tidligere undersøgelser af modstandsdygtighed fra et teknisk og økologisk synspunkt. De fandt konsekvent, at ændringer i mikrobernes miljø kunne resultere i ændringer i samfundets sammensætning eller størrelse, men at kritiske funktioner blev opretholdt. Forståelse af, hvordan disse funktioner vil reagere på ændringer i miljøet, er af central betydning for både økologer og ingeniører.
Hvad er det næste? PNNL-forskere planlægger at identificere grundlæggende mekanismer, der er ansvarlige for modstandsdygtigheden af både enkle og meget komplekse mikrobielle samfund. Forståelse af disse mekanismer vil i høj grad fremme evnen til at designe, forudsige opførsel af og kontrollere mikrobielle samfund, hvad enten det er i naturlige økosystemer eller biotekniske systemer.
Anerkendelser
Sponsorer: Det amerikanske energiministeriums Office of Science, Biological and Environmental Research, støttede dette arbejde via Genomic Science Program.
Forskningsområde: Biologisk systemvidenskab
Brugerservice: EMSL
Forskningshold: EMSL
Forsøgshold: Jim K. Fredrickson, Stephen R. Lindemann, Ryan S. Renslow og Hyun-Seob Song, Pacific Northwest National Laboratory.